DB37_T 4098-2020 质子交换膜燃料电池发动机安全性技术要求.pdf

ICS 27.070 F 19 DB37 山东省地方标准 DB37/T 40982020 质子交换膜燃料电池发动机安全性技术要求 Safety technical requirements for proton exchange membrane fuel cell engine 2020-08-31 发布 2020-10-01 实施 山东省市场监督管理局 发 布 目 次 前言.II 1 范围.1 2 规范性引用文件.1 3 术语和定义.1 4 一般要求.2 5 安全要求.2 6 试验方法.3 前 言 本标准按照GB/T 1.12009给出的规则起草。本标准由山东省工业和信息化厅提出、归口并组织实施。本标准起草单位：潍柴动力股份有限公司、中国汽车技术研究中心有限公司、中国重型汽车集团有限公司、中通客车控股股份有限公司、山东国创燃料电池技术创新中心有限公司。本标准主要起草人：陈文淼、王钦普、王芳、常会楷、郭婷、王侃侃、台述鹏、陈宾、曹精明、槐佳、李晨、亓永、王光隆、时保帆、王晓菲、刘蓉、冯美丽。本标准为首次发布。质子交换膜燃料电池发动机安全性技术要求 1 范围 本标准规定了质子交换膜燃料电池发动机（以下简称燃料电池发动机）安全性技术要求和试验方法。本标准适用于商用车用燃料电池发动机。2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 2423.42008 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Db：交变湿热（12h12h循环）GB/T 2423.182012 环境试验 第2部分：试验方法 试验Kb：盐雾，交变（氯化钠溶液）GB/T 4208 外壳防护等级（IP代码）GB/T 15089 机动车辆及挂车分类 GB/T 20042.1 质子交换膜燃料电池 术语 GB/T 24548 燃料电池电动汽车 术语 GB/T 24549 燃料电池电动汽车 安全要求 GB/T 24554 燃料电池发动机性能试验方法 3 术语和定义 GB/T 20042.1、GB/T 24548和GB/T 24549界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1 燃料电池发动机 fuel cell engine 包括燃料电池模块和燃料电池辅助系统，在外接氢源的条件下可以正常工作。框图见图1。燃料电池发动机边界燃料电池散热系统燃料电池散热系统含散热器、水箱、电子扇等，或测试台架散热器氢气源氢气源含氢瓶、减压阀等高压供电高压供电空气源空气源含空滤等BOPBOP冷却系统冷却系统氢气处理系统氢气处理系统含压力流量调节、安全泄压、氢循环泵等空气处理系统空气处理系统含空压机、中冷器、增湿器等热管理系统热管理系统含水泵、加热器等燃料电池模块燃料电池模块含集成外壳、电堆、通风装置等支架支架、管路及线束管路及线束系统边界内元件的集成支架、连接管路、供电和通讯线束控制系统控制系统含控制器、传感器等低压供电低压供电排气系统排气系统含消音器等负载负载电子负载或DC/DC变换器水路气路电路 图1 燃料电池发动机框图 3.2 标称工作压力 nominal working pressure 同时满足燃料电池发动机可安全连续运行的内部氢气路、空气路和水路的最大压力。3.3 主动放电 active discharge 燃料电池发动机停机过程中，通过内部泄放电阻或DC/DC变换器将燃料电池模块残留电荷快速泄放的过程。4 一般要求 4.1 燃料电池发动机的要求 燃料电池发动机应满足以下要求：燃料电池发动机已按设计和工艺文件装配完整，加注冷却液、通氢气后即可工作；燃料电池发动机应满足出厂时的外形结构和基本参数；燃料电池发动机应具备安全保障系统。4.2 测试环境及测量参数要求 除非在某些具体性测试中另有说明，测试工作在温度为25 5，湿度为15%90%环境下进行。本标准所提到的室温是指25 2。测量参数、单位和准确度要求见表1。表1 测量参数、单位和准确度要求 测量参数 单位 准确度 电流 A 0.5%FSa 电压 V 0.5%FS 时间 s 0.1 压力 kPa 0.5%FS 绝缘电阻 k 1.5%FS 温度 1 电导率 S/cm 1.5%FS 流量 mL/min 1.0%FS a FS：满量程。5 安全要求 5.1 通用安全要求 燃料电池发动机按照6.1项进行气密性试验，外漏气密性试验（流量法）相对浓度值应不超过25%LFL，氢-空内窜气密性试验（流量法）相对浓度值应不超过25%LFL。5.2 运行安全要求 5.2.1 燃料电池发动机按照 6.2 项进行绝缘电阻试验，燃料电池发动机的绝缘电阻应不小于 100/V。5.2.2 燃料电池发动机按照 6.3 项进行主动放电试验，燃料电池发动机的主动放电时间应不超过 3 s，主动放电模式下燃料电池模块电流最大值应不超过额定电流值。5.3 设计安全要求 5.3.1 按照 6.4 项进行防水防尘试验，若燃料电池发动机下表面距地面高度小于 300 mm 防护等级应不低于 IP 67，其他使用环境应不低于 IP 56。5.3.2 按照 6.5 项进行盐雾试验，试验后外壳无破裂，应满足 5.1 项通用安全和 5.2.1 项绝缘电阻要求。5.3.3 按照 6.6 项进行湿热循环试验，试验后应满足 5.1 项通用安全和 5.2.1 项绝缘电阻要求。5.3.4 按照 6.7 项进行温度冲击试验，试验后应满足 5.1 项通用安全和 5.2.1 项绝缘电阻要求。5.3.5 按照 6.8 项进行机械冲击及振动试验，试验过程中外壳无破裂，试验后拆检无故障，应满足 5.1项通用安全和 5.2.1 项绝缘电阻要求。6 试验方法 6.1 气密性 6.1.1 试验条件 试验前应将燃料电池发动机的排氢阀关闭，试验气源至燃料电池模块入口端连接管路及接口应确保无泄漏。试验应在常温环境下静置2 h后进行。6.1.2 外漏气密性（流量法）试验方法 将空气路排气口和水路出水口封闭，同时向氢气路、空气路和水路通入氦氮混合气（氦气浓度不低于10%），示意图见图2，直至三路压力达到燃料电池发动机的标称工作压力P（单位为kPa）。保持压力稳定在P，待气体流量稳定30 s后读取气体流量值F1。按公式（1）计算外漏气密性试验（流量法）气体泄漏值FO：%100100021FFFO.(1)式中：FO外漏气密性试验（流量法）相对浓度值；F1实测气体流量值，单位为毫升每分（mL/min）；F2实测燃料电池发动机箱体通风空气流量最小值，单位为升每分（L/min）。氦氮混合气氦氮混合气氢气处理系统氢气处理系统燃料电池模块燃料电池模块排氢阀关闭空气路排气口封闭水路出水口封闭流量计，读数F1氢气路空气路水路水路气路空气处理系统空气处理系统热管理系统热管理系统 图2 外漏气密性试验（流量法）示意图 6.1.3 氢-空内窜气密性（流量法）试验方法 将空气路进、排气口和水路进、出水口封闭，向氢气路通入氦氮混合气（氦气浓度不低于10%），示意图见图3，直至氢气路压力达到50 kPa。保持氢气路压力稳定在50 kPa，待气体流量稳定30 s后从空气路出气口读取空气路气体流量值F3。按公式（2）计算氢-空内窜气密性（流量法）气体泄漏值FH：%100100043FFFH.(2)式中：FH氢-空内窜气密性（流量法）相对浓度值；F3实测气体流量值，单位为毫升每分（mL/min）；F4燃料电池发动机工作时最小进气流量值，单位为升每分（L/min）。氦氮混合气氦氮混合气氢气处理系统氢气处理系统燃料电池模块燃料电池模块流量计，读数F3氢气路水路气路空气处理系统空气处理系统热管理系统热管理系统水路进水口封闭空气路进气口封闭排氢阀关闭水路出水口封闭 图3 外漏气密性试验（流量法）示意图 6.2 绝缘电阻 6.2.1 试验条件 如果燃料电池发动机装有去离子器，试验前应将燃料电池发动机上去离子器进出管口进行短接或隔断。使用在燃料电池发动机工作温度下电导率不低于5 S/cm的去离子冷却液进行试验，配备在线式绝缘电阻测试仪进行绝缘电阻实时测量（采样频率不低于1 Hz，测量燃料电池发动机输出端正极对地和负极对地电阻值后取最小值输出测试结果），试验前应将燃料电池发动机外壳接地。6.2.2 试验方法 按照GB/T 24554进行稳态特性试验，记录试验过程中最小绝缘电阻值R1。按公式（3）计算燃料电池发动机绝缘电阻值RF：10001URRF.(3)式中：RF 燃料电池发动机绝缘电阻值，单位为欧姆每伏（/V）；R1 试验中最小绝缘电阻值，单位为千欧姆（k）；U 理论电压值，单位为伏（V），选取原则见表2。表2 理论电压值选取原则 序号 燃料电池发动机工作时最大电压UMAX V 理论电压值U V 1 UMAX250 500 2 250UMAX1 000 1 000 6.3 主动放电 6.3.1 试验条件 如果DC/DC变换器参与燃料电池发动机主动放电过程，应将燃料电池发动机和DC/DC变换器共同进行试验。6.3.2 试验方法 向燃料电池发动机发送正常停机指令，燃料电池发动机运行状态跳转进入主动放电模式后，监控燃料电池发动机内燃料电池模块电压和燃料电池模块电流参数。记录燃料电池模块电压开始降低时刻至60 V所用时间，此数值为燃料电池发动机主动放电时间，同时记录主动放电模式下燃料电池模块电流最大值。6.4 防水防尘 防水防尘试验按照GB/T 4208进行。6.5 盐雾 盐雾试验按照GB/T 2423.182012中6.1项严酷等级（5）进行，试验后分别进行6.1项气密性试验和6.2项绝缘电阻试验。6.6 湿热循环 6.6.1 试验条件 试验前应将燃料电池发动机空气路、氢气路和水路外部接口封闭，试验过程中不带电进行试验，试验后分别进行6.1项气密性试验和6.2项绝缘电阻试验。6.6.2 试验方法 湿热循环试验按照GB/T 2423.42008中严酷程度为高温55 进行，试验共进行6个循环，试验后分别进行6.1项气密性试验和6.2项绝缘电阻试验。6.7 温度冲击 将燃料电池发动机放入环境舱，按照表3和图4进行温度冲击试验，循环10次，试验过程中温度实际值与目标值误差应在2 以内，试验后分别进行6.1项气密性试验和6.2项绝缘电阻试验。表3 温度冲击试验循环工况 序号 温度 运行时间 min 累计时长 min 温度变化率 1 25 0 0 0 2-40 60 60 13/12 min 3-40 120 180 0 4 25 60 240 13/12 min 5 60 30 270 7/5 min 6 60 120 390 0 7 25 30 420 7/5 min 图4 燃料电池发动机温度冲击试验循环工况示意图 6.8 机械冲击及振动 6.8.1 试验条件 按照GB/T 15089中规定的M类和N类商用车采用不同的试验方法依次进行机械冲击试验及振动试验，考核商用车正常运行情况下耐机械冲击及振动的能力。汽车行驶方向为x轴方向，另一垂直于行驶方向的水平方向为y轴方向。试验过程中应加注去离子冷却液，试验后分别进行6.1项气密性试验和6.2项绝缘电阻试验。6.8.2 M 类商用车燃料电池发动机机械冲击试验方法 燃料电池发动机固定于振动台，在3个轴向x向、y向、z向分别以3 g、2 g、5 g的冲击加速度进行冲击试验，机械冲击脉冲采用半正弦波形、持续时间6 ms，每个方向的正负方向各进行6次。相邻两次冲击的间隔时间以两次冲击在试验样品上造成的响应不发生相互影响为准，应不小于5倍冲击脉冲持续时间。6.8.3 M 类商用车燃料电池发动机振动试验方法 M类商用车燃料电池发动机振动试验工况见表4，应按照整车实际安装方式及安装方向在振动台上进行试验，试验期间定时查看紧固件是否松动，如有异常应立即停止试验排查并解决。表4 M 类商用车燃料电池发动机振动试验工况 随机振动（每个方向考核 12 ha）频率 Hz z轴功率谱密度 PSD g2/Hz y轴功率谱密度 PSD g2/Hz x轴功率谱密度 PSD g2/Hz 5 0.008 0.005 0.005 10 0.025 0.02 0.006 15 0.02 40 0.025 0.000 1 0.006 60 0.000 5 100 0.000 5 0.000 1 200 0.000 01 0.000 01 0.000 01 RMS z轴 y轴 x轴 0.99 0.49 0.49 a 12 h：按照试验样本数分别进行不同时长试验，1 个试验样本应进行 21 h 试验，2 个试验样本应各进行 15 h 试验，3 个试验样本应各进行 12 h 试验。6.8.4 N 类商用车燃料电池发动机机械冲击试验方法 燃料电池发动机固定于振动台，在3个轴向x向、y向、z向分别以5 g、3 g、8 g的加速度进行冲击试验，机械冲击脉冲采用半正弦波形、持续时间6 ms，每个方向的正负方向各进行6次。相邻两次冲击的间隔时间以两次冲击在试验样品上造成的响应不发生相互影响为准，应不小于5倍冲击脉冲持续时间。6.8.5 N 类商用车燃料电池发动机振动试验方法 N类商用车燃料电池发动机振动试验工况见表5。应按照整车实际安装方式及安装方向在振动台上进行试验，振动试验期间定时查看紧固件是否松动，如有异常应立即停止试验排查并解决。表5 N 类商用车燃料电池发动机振动试验工况 随机振动（每个方向考核 12 ha）频率 Hz z轴功率谱密度 PSD g2/Hz y轴功率谱密度 PSD g2/Hz x轴功率谱密度 PSD g2/Hz 5 0.016 0.01 0.007 10 0.05 0.04 0.01 15 0.04 40 0.05 0.0002 0.01 60 0.001 100 0.001 0.000 2 200 0.000 01 0.000 01 0.000 01 RMS z轴 y轴 x轴 1.4 0.69 0.68 a 12 h：按照试验样本数分别进行不同时长试验，1 个试验样本应进行 21 h 试验，2 个试验样本应各进行 15 h 试验，3 个试验样本应各进行 12 h 试验。_