质子交换膜燃料电池发动机安全性技术要求DB37／T 4098—2020.pdf

ICS 27.070 F 19 DB37 山东省 地 方 标 准 DB37/T 4098 2020 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 DB37/T 4098 2020 I 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 DB37/T 4098 2020 II 前 言 本标准 按照GB/T 1.1 2009 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。DB37/T 4098 2020 1 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 2423.4 2008 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（12h 12h循环）GB/T 2423.18 2012 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 系统含 散 热 器、水箱、电子 扇等，或 测 试台 架 散 热 器氢 气 源含氢 瓶、减压 阀等高 压 供 电空 气 源含空 滤等BOP 冷却 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 统含空 压机、中冷器、增 湿 器 等热 管 理 系 统含水 泵、加热 器等燃 料 电 池 模 块含 集 成 外 壳、电堆、通 风 装 置 等支架、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 统含控 制器、传 感 器 等低压 供电排 气 系 统含消 音器等负载电子 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 DB37/T 4098 2020 2 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/c m 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。DB37/T 4098 2020 3 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）。DB37/T 4098 2020 4 氦 氮 混 合 气氢气 处理 系统燃 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 氢 气 处 理 系 统燃 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 DB37/T 4098 2020 5 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：10001 URRF.(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 UMAX 250 500 2 250 UMAX 1 000 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 2423.18 2012 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 DB37/T 4098 2020 6 湿热 循环试验按 照GB/T 2423.4 2008 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 DB37/T 4098 2020 7 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。DB37/T 4098 2020 8 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。_