燃料电池发电系统用膜管增湿器 性能试验方法

1燃料电池发电系统用膜增湿器性能试验方法本文件规定了燃料电池发电系统用膜增湿器的术语和定义、试验条件、试验方法。本文件适用于为燃料电池发电系统阴极侧空气加湿的膜增湿器。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；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GB/T25319-2010汽车用燃料电池发电系统技术条件GB/T28816-2020燃料电池术语3术语和定义GB/T28816-2020界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1增湿humidification通过燃料和/或氧化剂反应气体，向燃料电池内部引入水的过程。[来源于GB/T28816-2020,3.62]3.2将水传输给进入燃料电池阴极氧化剂气体（空气）的膜材。注：当在增湿膜两侧存在水（或水蒸气）的浓度或压力差时，从浓度或压力高的一侧传输到浓度或压力低的一侧。3.3增湿器humidifier将水加入燃料和/或氧化剂气体中的设备[来源于GB/T28816-2020,3.63]3.4增湿器内通过增湿膜将水传输给进入燃料电池阴极氧化剂气体（空气）的设备。3.5通入燃料电池阴极系统的氧化剂气体（空气）。3.6燃料电池阴极系统排出的废气。3.7膜增湿器内流通增湿气体的一侧。3.8被增湿气体侧humidifiedgasside膜增湿器内流通被增湿气体的一侧。3.9被增湿气体进口humidifiedgasinlet膜增湿器用于接收被增湿气体的接口或通道。3.10被增湿气体出口humidifiedgasoutlet膜增湿器用于排出被增湿气体的接口或通道。注：被增湿气体出口通常与燃料电池堆空气进口相连；俗称3.11增湿气体进口humidifyinggasinlet膜增湿器接收增湿气体的接口或通道。3.12增湿气体出口humidifyinggasoutlet膜增湿器用于排出增湿气体的接口或通道。3.13膜增湿器的增湿气体进口露点温度与被增湿气体出口露点温度的差值。注：接近露点温度的单位为摄氏度(℃)。3.14水分传输效率watertransferefficiency；WTE3膜增湿器被增湿气体出口、进口空气的含湿量之差与增湿气体进口空气的含湿量之比，用百分数（%）3.151kg空气中含有水蒸气的质量。3.16被增湿气体侧压降pressuredropathumidifi被增湿气体进口压力与被增湿气体出口压力的差值。注：被增湿气体侧压降符号为△P1。3.17增湿气体侧压降pressuredropathumidifiedgas增湿气体进口压力与增湿气体出口压力的差值。注：增湿气体侧压降的符号为△P2。4试验条件4.1被测样件要求膜增湿器结构完整，外观整洁无损伤，增湿膜及组件目测无损伤及污染，有明确的进出口标识。4.2试验平台要求膜增湿器测试平台的基本要求：在被增湿气体进口和增湿气体进口分别设计有气体流量、温度、压力和湿度的测量及调控系统，在被增湿气体出口和增湿气体出口分别设计有背压系统等，上述参数可根据燃料电池堆的实际工况点进行调整。4.3试验外部环境要求——温度：25℃±5℃——相对湿度：10%～80%——海拔：＜1000m5试验方法5.1仪器仪表要求仪器仪表要求见表1。4表1仪器仪表要求测量仪器计量单位精度（不低于）体积流量计1mL/min±0.2%FS体积流量计2L/min±0.2%FS质量流量计1g/s0.8%RD±0.2%FS压力传感器kPa±0.2%FS温湿度传感器℃%RH±0.5℃±2%5.2外漏试验5.2.1流量法流量法步骤如下：a)将膜增湿器按照图1进行管路连接，管路内径与膜增湿器接口外径相同，压力传感器和体积流量计1安装于膜增湿器接口处，泄压阀1和泄压阀2处于关闭状态，确定各接口安装完好无泄漏；b)将环境空气通入膜增湿器的被增湿气体进口和增湿气体进口，通过压力调节阀1控制进气压力，保证膜增湿器中增湿膜两侧的压力相同，且测试压力保持为制造商规定的最大工作压力；c)待测试压力和流量稳定后记录体积流量计1的数值。该数值越大，表示膜增湿器向环境外泄漏越严重。图1外漏试验图-流量法5.2.2保压法5保压法步骤如下：a)将膜增湿器按照图2进行管路连接，管路内径与膜增湿器接口外径相同，压力传感器安装于膜增湿器接口处，泄压阀1和泄压阀2处于关闭状态，确定各接口安装完好无泄漏；b)将环境空气通入膜增湿器的被增湿气体进口和增湿气体进口，通过压力调节阀1控制进气压力，保证膜增湿器中增湿膜两侧的压力相同，且测试压力保持为制造商规定的最大工作压力；c)待压力稳定后，关闭调节阀1，记录压力传感器数值P1；进行保压，保压时间宜为3min。d)保压结束后，记录压力传感器数值P2；e)即在保压期间膜增湿器的外漏引起的压降△P〓P1-P2。该数值越大，表示膜增湿器向环境外泄漏越严重。图2外漏试验图-保压法5.3湿态内漏试验试验前准备工作：使用电导率＜5μS/cm的去离子水（常温）同时通入膜增湿器的被增湿气体侧和增湿气体侧，浸泡2h后将去离子水倒出，并将内部液态水沥干直至接口无液态水流出。试验方法如下：a)将膜增湿器按照图3进行管路连接，管路内径与膜增湿器接口外径相同，压力传感器和体积流量计2安装于膜增湿器被增湿气体进口接口处，被增湿气体出口的泄压阀处于关闭状态，增湿气体进口和增湿气体出口均与大气相通，确定各接口安装完好无泄漏；b)环境空气通入膜增湿器的被增湿气体进口，通过压力调节阀1控制进气压力，增湿膜两侧的压力差不能超过制造商规定的最大允许工作压力；c)待压力稳定后，记录体积流量计2的数值。该数值越大，则内漏量越大，膜增湿器干侧向湿侧泄漏越大。6图3湿态内漏试验图5.4增湿性能试验5.4.1测试准备a)将待测膜增湿器连接到测试台对应的管路接口，使用管路内径与膜增湿器接口外径相同的管路，压力传感器计和温、湿度传感器分别安装于膜增湿器的被增湿气体进口、被增湿气体出口、增湿气体进口、增湿气体出口的接口处，质量流量计接口位置不做要求；在被增湿气体进口管路上安装有温度控制系统和湿度控制系统，控制进入膜增湿器中被增湿气体的温度和湿度；在增湿气体进口管路上安装有温控系统和湿度控制系统，控制进入膜增湿器中增湿气体的温度和湿度；通常连接方式见附录B。b)将温度、湿度设置在待试验的温度、湿度附近；c)通入被增湿气体和增湿气体直至流量达到设定值，微调温控系统、湿度控制系统和背压系统直到被增湿气体进和增湿气体进的温度、压力和湿度达到设定值。5.4.2流量变化试验保持温度、相对湿度及压力不变，测试被增湿气体和增湿气体不同流量下的膜增湿器的增湿性能，试验步骤如下：a)通入并调节被增湿气体和增湿气体均至供应商最大允许流量的20%并保持稳定；b)调节被增湿气体和增湿气体至设定的温度、相对湿度和压力；c)待被增湿气体温度、相对湿度和压力稳定5min后，每隔5s采集一组数据，共采集10组数据，参考附录A分别记录被增湿气体进口以及出口、增湿气体进口以及出口的相关数据；d)依次更换被增湿气体和增湿气体均至供应商最大允许流量的40%，60%，80%，100%，重复上述5.4.3压力变化试验7保持温度、相对湿度及流量不变，测试被增湿气体和增湿气体不同压力下的膜增湿器的增湿性能，试验步骤如下：a)通入并调节被增湿气体和增湿气体均至供应商最大允许压力的20%并保持稳定；b)调节被增湿气体和增湿气体至设定的流量、温度和相对湿度；c)待被增湿气体温度、相对湿度和压力稳定5min后，每隔5s采集一组数据，共采集10组数据，参考附录A分别记录被增湿气体进口以及出口、增湿气体进口以及出口的相关数据；d)依次次更换被增湿气体和增湿气体均至供应商最大允许压力的40%，60%，80%，100%，重复上述过程。5.4.4温度变化试验保持流量、压力和相对湿度不变，测试被增湿气体和增湿气体不同温度下的膜增湿的增湿性能，试验步骤如下：a)通入并调节被增湿气体和增湿气体温度均为60℃;b)调节被增湿气体和增湿气体至设定的流量、压力和相对湿度；c)待被增湿气体温度、相对湿度和压力稳定5min后，每隔5s采集一组数据，共采集10组数据，参考附录A分别记录被增湿气体进口以及出口、增湿气体进口以及出口的相关数据；d)依次更换被增湿气体和增湿气体温度均为的65℃,70℃,75℃,80℃,重复上述过程。5.4.5干进相对湿度变化试验保持流量、温度、压力及增湿气体相对湿度不变，测试被增湿气体不同相对湿度下的膜增湿器的增湿性能，试验步骤如下：a)通入并调节被增湿气体和增湿气体至设定的流量、压力和温度；b)调节被增湿气体的相对湿度为0%～5%，增湿气体的相对湿度为90%～100%；c)待被增湿气体温度、相对湿度和压力稳定5min后，每隔5s采集一组数据，共采集10组数据，参考附录A分别记录被增湿气体进口以及出口、增湿气体进口以及出口的相关数据；d)依次更换被增湿气体的相对湿度为10%～15%、20%～25%、25%～30%、35%～40%，重复上述过5.4.6数据处理将附录A采集的多组状态数据进行处理，包括剔除异常数据、处理丢失数据(可使用插值方法补全或者舍弃)等。针对特定测试点数据，应分别计算干侧压降、湿侧压降、接近露点温度、含湿量、水分传输效率。a)被增湿气体侧压降按照公式（1）进行计算：Δp1=pin,1__pout,1····································································(1)8Δp1——被增湿气体侧压降，单位为千帕（kPa）；pin,1——被增湿气体进口的压力，单位为千帕（kPa）；pout,1——被增湿气体出口的压力，单位为千帕（kPa）。b)增湿气体侧压降按照公式（2）进行计算：Δp2=pin,2__pout,2····································································(2)Δp2——增湿气体侧压降，单位为千帕（kPapin,2——增湿气体进口的压力，单位为千帕（kPa）；pout,2——增湿气体出口的压力，单位为千帕（kPa）。c)接近露点温度按照公式（3）计算：ADT=TD,in,2__TD,out,1····················································································(3)ADT——接近露点温度，单位为摄氏度(℃);TD,in,2——增湿气体进口露点温度，单位为摄氏度(℃);TD,out,1——被增湿气体出口露点温度，单位为摄氏度(℃)。d)含湿量按照公式（4）、公式（5）计算：p水汽=RH×pS·······································································(5)H——含湿量；p水汽——水汽分压（绝对压力），单位为千帕（kPa）；pS——饱和蒸汽压（绝对压力），单位为千帕（kPa）；P——总压（绝对压力），单位为千帕（kPa）；M气——干空气的分子量，29克每摩尔（g/molM水——水的分子量，18克每摩尔（g/molRH——相对湿度，单位为百分比（%）。e)水分传输效率按照公式（6）计算：WTEWTE——水分传输效率，单位为百分比（%HOut,1——被增湿气体出口空气含湿量；Hin,1——被增湿气体进口空气含湿量；Hin,2——增湿气体进口空气含湿量;Qin,1--被增湿气体质量流量（干空气），单位为克/秒（g/s）。Qin,2--增湿气体质量流量（干空气单位为克/秒（g/s）。8