燃料电池系统测试技术白皮书 燃料电池系统测试技术白皮书 White Paper 燃料电池系统测试技术白皮书 目录 1. 前言------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 2. 浅谈燃料电池系统------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1 3. 燃料电池系统测试------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 2 3.1. 测试平台的前期初步规划 ------------------------------------------------------------------------------------------- 2 3.2. 燃料电池测试平台的种类 ------------------------------------------------------------------------------------------- 3 3.3. 平台功能 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 4 电力验证平台 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 4 辅助流体监控平台 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 5 3.4. 平台整合与情境选择 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 4. GB/T 24554-2022 燃料电池系统性能试验方法 ------------------------------------------------------------------------ 7 4.1. 测试定义范畴 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 7 4.2. 基本测试要求 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 8 4.3. 测试预处理条件--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 4.4. 测试顺序与测项--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 系统启动特性测试 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 系统功率输出稳定性测试 ------------------------------------------------------------------------------------------ 11 系统极限输出功率测试 --------------------------------------------------------------------------------------------- 12 负载动态响应测试 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 13 I-V 曲线标定测试 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 14 动态响应下的平均效率特性测试 -------------------------------------------------------------------------------- 15 绝缘阻抗测试 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 16 额定重量与功率密度标定 ------------------------------------------------------------------------------------------ 16 系统气密性测试 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 17 5. 燃料电池系统测试平台解决方案---------------------------------------------------------------------------------------- 18 5.1. 测试方案范畴与单机选型 ----------------------------------------------------------------------------------------- 19 燃料电池系统测试技术白皮书 1. 前言 1842 年科学家发现将电解水进行电化学逆向反应下产生电能后，燃料电池从航天的应用开始， 随着市场需求应用的演变，目前可商业化燃料电池的种类以质子交换膜型(PEMFC)1与固态氧化 物型燃料电池(SOFC)2为市场主流，结合其他氢能相关应用下成为全球净零碳排潮流中重点能源 技术之一。 Fig. 1 PEMFC 的基础原理与架构 2. 浅谈燃料电池系统 燃料电池系统是以燃料电池堆为核心进行开发，进而衍生开发各个子系统并参照电池堆所需的 流体参数、热能管理、电力输出和机械设计等，且子系统相互之间进行配合撰写一控制逻辑下， 最终整合成一组高度复杂性的电力系统总成，终端目标会应用于不同的电力应用情境，如储能 系统与电动车。从前段开发到终端产品应用的流程中，须经过严谨的产品验证与测试，使得燃 料电池系统的相关产品应用更能贴近人们需求与高商业价值，本白皮书将会以氢氧型的 PEMFC 技术路线进行说明与参考。 Fig. 2 常见的燃料电池系统设计架构参考简图 1 2 质子交换膜燃料电池 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC 固态氧化物燃料电池 Solid Oxide Fuel Cell, SOFC Page 1 燃料电池系统测试技术白皮书 3. 燃料电池系统测试 燃料电池系统测试的核心目的为验证系统规格与范畴是否合乎产品设计目标，因此执行过程中 必须监测系统边界电力、流体、热流、环境因素与系统内部；有别于电堆测试中需仰赖测试设 备硬件才可执行测试的情境，系统级别的测试应为自主且独立的状态下执行测试。从系统的研 发阶段到终端产品之间，测试情境会以外部负载与电力供给为主、流体监测为辅进行。 对于燃料电池系统制造商而言，系统净电功率往往为产品销售与定价的重点目标；此数值会与 燃料电池堆总输出功率与系统所搭载的 BOP3总耗电量有相对关系，因此平台的建立会以电力 设备为必要需求，延伸需求依照系统范畴下评估需要额外硬件支持，如水气台架、EIS 量测系 统等。因此，当未来产品功能随着市场发展需要增加测试时，测试平台也要满足可客制扩充的 弹性。 3.1. 测试平台的前期初步规划 燃料电池系统的测试情境要依照系统产品范畴与终端应用选择对应测试硬件，但随着各测试阶 段的需求变化下，各测试硬件可能同时进行缩减与扩充，初步规划来说建议都要定义测试要于 哪个阶段开始执行，如 RD 研发阶段或 EoL 终端产品测试阶段等进行测试的起点。由于燃料电 池系统的测试过程大多是长时间的运行，而整体测试设备除了测试硬件规格外，同时需要考虑， 如氢气安全、管路排放、气源管理、负载/电源管理等，最后亦要符合当地的消防安全与厂务 规范，确保制造商与操作人员的测试过程中生命财产安全。 初步建议可考虑以下几点步骤: 1. 燃料电池系统的开发阶段的定义、测试需求与产品方向。 2. 燃料电池系统于终端应用的电力情境需求规划。 3. 燃料电池系统于外部流体供应的辅助需求规划。 4. 额外的测试需求的硬设备挑选。 5. 当地的氢气规范与电力规范的限制。 3 系统周边组件 Balance of Plant, BoP Page 2 燃料电池系统测试技术白皮书 3.2. 燃料电池测试平台的种类 市面上的燃料电池系统测试平台大多分成单一集成式或分布式两种。并可依照燃料电池系统的 功率等级不同选择对应的测试设备，但相对的对于电流、电压、流量、管径、线材粗细等都会 随着设备的对应功率等级变化。燃料电池系统依照产品阶段的不同，大致上概括粗略地分成两 种测试情境:系统原