T-CRES 0038-2025 平板式固体氧化物燃料电池电池堆通.用技术要求与试验方法

T/CREST/CERS平板式固体氧化物燃料电池电池堆通用技术要求与试验方法中国可再生能源学会ⅠT/CRES0038-2025T/CERS0085-2025 II 12规范性引用文件 13术语和定义 14设计要求 15性能要求 46试验方法 57标志和给用户提供的文件 9 ⅡT/CRES0038-2025T/CERS0085-2025前言本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件的某些内容有可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中弗（无锡）新能源有限公司提出。本文件由中国可再生能源学会和中国能源研究会联合归口及发布。本文件起草单位：中国石油大学（华东）、中弗（无锡）新能源有限公司、中国矿业大学、天津大学、北京京能数字科技有限公司、中国科学院大连化学物理研究所、西南石油大学、清华大学、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、常州大学、中国科学院上海应用物理研究所、浙江氢邦科技有限公司、华东理工大学、中广核研究院有限公司、泛氢（上海）科技有限公司、山东科技大学、青岛理工大学、青岛质子动力科技有限公司。本文件主要起草人：蒋文春、张秀成、张清贵、罗云、王绍荣，王世学、雷廷宙、程谟杰、周晓亮、官万兵、肖国萍、陈旭谦、刘荣军、岑岭山、张玉财、宋明、郑红祥、石亚洲、潘虎、董新良、张倩、安青松、朱禹、李晓江、王子曦、涂宝峰、王鑫鑫、汪玉、万娱、杨滨、周凡、王胜昆、杨钧、田云峰、李加杰、张旸、崔天成、洪春峰、邓飞、张彦欣、胡凯、孙锐、吕大伟。本文件在执行过程中的意见建议请反馈至中国可再生能源学会标准化工作办公室。1T/CRES0038-2025T/CERS0085-2025平板式固体氧化物燃料电池电池堆通用技术要求与试验方法本文件规定了平板式固体氧化物燃料电池电池堆的设计、性能、试验方法以及标志与说明文件等方面的要求。本文件适用于平板式氧离子传导型固体氧化物燃料电池电池堆。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。凡是注明日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是未注明日期的引用文件，其最新版本适用于本文件。GB/T4208外壳防护等级(IP代码)GB/T28816燃料电池术语GB/T27748.1固定式燃料电池发电系统第一部分：安全GB/T34582固体氧化物燃料电池单电池和电池堆性能试验方法NB/T10193固体氧化物燃料电池术语NB/T10671固体氧化物燃料电池模块通用安全技术导则NB/T10821固体氧化物燃料电池电池堆测试方法IECTS62282-7-2燃料电池技术-第7-2部分-试验方法-固体氧化物燃料电池3术语和定义GB/T28816、NB/T10193、NB/T10671、NB/T10821界定的以及下列术语和定义适用于本文件。允许工作压力allowableworkingpressure由制造商指定，对电池堆没有任何损坏或永久性损伤的在可承受范围内的最大表压。3.2漏气gasleakage气体从电池堆阳极腔或阴极腔向电池堆外发生的泄漏。4设计要求4.1总体设计制造商应提供风险分析书面报告，以确保：a)识别电池堆寿命期限内所有合理的可预见危险、危险状况和事件；b)结合危险发生的可能性和预期严重性对各种危险的风险进行评估；2T/CRES0038-2025T/CERS0085-2025评估内容应包括所有以下可能造成人身安全和外部财产安全风险：——电池堆温度；——电池堆气密性和/或电池堆电压；——加压部分压力。此外，下列情况应格外加以注意：——机械危险，锋利表面、压力下的气体泄漏；——电气危险，接触带电部件、短路、高电压；——热危险，高温表面、高温气体排放、热疲劳；——火灾和爆炸危险，易燃气体或液体、正常或非正常运行条件下可能的易爆混合物；——故障危险，因软件、控制电路或保护/安全部件失灵或错误运行导致的不安全运行。4.1.2重要风险管控电池堆制造商应根据风险评估进行设计。风险评估应符合GB/T7826和IEC61508规定。电池堆所有零部件应满足以下条件：a)预期使用时的温度、压力、流量、电压、电流范围；b)预期使用中面临的反应、过程以及其他条件的耐受能力；c)电池堆材料的质量和厚度，配件、终端及各部件集成方法，应在合理寿命时间内。电池堆及其零部件结构设计应符合GB/T4458.1~5机械设计相关标准化的要求，如果电池堆带有封装外壳，则外壳防护应根据电池堆的不同使用环境，并按GB/T4208的要求选择适当的防护等级并予以标4.1.2.2可燃气体应对电池堆采取保护措施（如通风、气体检测等），以确保电池堆内部泄漏或对外泄漏的气体不致达到其爆炸浓度。这些措施的设计规范应由电池堆制造商提供，并在说明书中加以说明，以便燃料电池系统集成制造商采取预防措施，确保安全。4.1.2.3带电零部件制造商应在技术文件中详细说明存在的带电零部件，特别是系统关闭后由于残余电压而存在危险的带电部分，告知燃料电池系统集成制造商应采取防止电击的措施，还应预防电池堆带电部分的意外短4.1.2.4运行过程中的监控为确保电池堆的运行安全，制造商宜提供相关参数的监控措施，如：a)电池堆温度；b)电池堆和/或重复单元的电压。监控点的位置由电池堆制造商规定并向燃料电池系统集成制造商加以说明。在用其他方式对电池堆提供安全运行保障的情况下，这些方式应具有对温度、电压监控等效的安全保障能力。4.2电池堆总体设计4.2.1电池堆技术指标确定平板式电池堆的功率需求、寿命、空间尺寸、成本、重量、安全等是电池堆的初始设计输入。电池堆制造商应从功能和安全的角度明确电池堆主要技术指标，至少包括：电池堆额定功率、发电效率、开路电压、工作电压，稳定运行衰减率、热循环衰减率、允许工作压力、允许压力差及标准漏气率。4.2.2电池堆总体结构3T/CRES0038-2025T/CERS0085-2025推荐使用底板-重复单元（阳极集流体-单电池-阴极集流体-连接体，最后一个重复单元不用连接体）-顶板的电池堆结构。针对不同使用需求，燃料电池的电池堆设计允许存在差异。l根据功率、发电效率等指标需求设计单电池有效面积及电池堆串联重复单元数量；l根据寿命需求综合考虑电池堆材料失效、电池堆性能衰减和结构强度等因素进行设计；l可根据空间尺寸需求适当改变电池堆结构、尺寸等；l在满足用户使用需求的前提下，应尽可能降低成本以保证经济性。4.3主要零件设计4.3.1连接体（带气体流道）制造商设计文件中应明确连接体具体材料牌号及标准、结构尺寸及公差要求，以保证与其他零件装配。连接体设计应满足下述要求：a)连接体选材应遵循耐环境高温、导电及热膨胀系数匹配原则，所选材料应具备足够的高温强度，与相关联的零件热膨胀性能匹配。b)连接体结构应包含阴极集流面和阳极集流面，用于从阴极传递电子或从阳极收集电子。c)阳极侧燃料气体通道应符合流场优化设计要求，保证气体流通效率；阳极侧应具备良好的高温导电能力，正常工作状态电阻值稳定。d)阴极侧空气通道应符合流场优化设计要求，保证气体流通效率；阴极侧应进行高温抗氧化防护，使其具备良好的高温抗氧化能力和高温导电能力，正常工作状态电阻值稳定。4.3.2单电池制造商设计文件应对单电池结构强度、尺寸及精度、有效发电面积和额定工况发电功率密度、发电效率提出明确要求。建议装堆用单电池阴阳极两侧平面平行度不大于0.02mm，长宽及厚度尺寸精度不大于±0.015mm，额定工况发电功率密度不小于0.25W/cm2，发电效率不小于50%。4.3.3密封件制造商设计文件应明确密封件材料、结构尺寸及高温力学性能要求，以保证按制造商封装工艺，密封件能够与单电池、连接体和上下端板封接面紧密贴合，实现电池堆层间密封、气体流道密封功能。4.3.4绝缘件制造商应根据自己电池堆总体结构特点设计绝缘件，明确绝缘件结构、材料、高温电阻值范围，以保证运行条件下电池堆连接体层间绝缘、上下端板之间绝缘，避免短路。4.3.5集流件制造商可设计集流件用于改善连接体与单电池之间接触特性，在不影响通气效率前提下提高电池堆集流效率。制造商应明确集流件材质、孔隙率、结构尺寸。阳极集流体应具有良好的高温导电性能，阴极集流体应具有良好的高温抗氧化、导电性能。4.3.6端板制造商设计文件应明确端板结构尺寸及精度、材料以及与单电池、连接体、密封结构等零件的装配要求。端板结构应满足下述要求：a)足够的高温强度及刚性，在电堆封装、活化、正常使用状态下不发生变形；b)上下端板应具备电流汇集功能；c)端板应具备电流引出端，方便外接电流引出连接件。对端板外接电流连接件应满足下述要求：a)固定在其安装构件上，并保持足够的接触压力，不会自行松动；b)导电部分不会从其预定位置滑脱；4T/CRES0038-2025T/CERS0085-2025c)正确连接以确保导电部分不致受到损伤而影响其功能；d)在正常紧固过程中能防止发生旋转、扭曲或永久变形；e)导电连接件应有防护措施，不可裸露；f)应采取抗氧化措施，使相互连接的金属件之间不应发生高温氧化；g)接线端子和电气连接件应符合电力负荷的要求，母线端子标出正负极。4.4封装结构设计4.4.1一般要求应按照GB/T27748.1《固定式燃料电池发电系统第一部分：安全》的要求对电池堆进行封装设计，并符合以下要求：——满足整体密封性要求；——满足电池堆内密封性要求，确保不发生漏气和窜气；——满足其他功能性要求，比如连接体层间绝缘；——满足整体应力分布均匀要求；——满足寿命阶段的振动和冷热冲击耐受性要求；——满足经济性要求。4.4.2典型封装结构及工艺电池堆封装结构主要有压紧密封结构和玻璃密封结构。压紧封装：工件表面平整化后，将薄片密封结构夹入工件之间，施加一定的轴向压紧力实现层间、腔室密封，密封结构承受压力一般＜30kPa；玻璃封装：使用玻璃化转变温度点略低于最高操作温度的玻璃及软化材料，精确固定在缝隙位置后紧固，随电池堆启动玻璃及软化材料润湿达到密封效果，此方法有利于消除残余应力。可根据不同性能要求或结构需求选择其他密封方式，但应满足电池堆封装的一般要求。5性能要求5.1电池堆结构外观电池堆表面应清洁，无明显变形，无明显机械损伤，接口表面无锈蚀；电池堆表面应有必需的产品标识（包括但不限于产品型号、等级、出厂时间、电池堆编号、制造厂名、注意事项等），且标识清晰正确。5.2气密性要求按照本文件的测试方法对电池堆进行气体泄漏测试，结果应满足制造商在技术文件中对泄漏速率的要求.5.3绝缘性能要求电池堆中带电部分和不带电的导电部分之间的所有绝缘结构设计，都应符合电气绝缘结构有关标准的相应要求。影响结构件功能的材料的机械特性（如抗拉强度）应得到保证，当其所在部位温度比正常运行温度的最高值还高20℃（但不应低于80℃)时，仍应符合设计要求。正负极对地绝缘比阻值不应低于1MΩ/V，如果在绝缘试验中，不能满足要求，则应停止后续试验，且应向系统集成商提供试验数据，由系统集成商采取减少危险的措施。5.4允许工作压力要求电池堆允许工作压力应符合制造商技术文件规定。在经受本文件规定的允许工作压力试验后，电池堆及其零部件不应出现开裂、永久变形或其他物理损伤。5.5压力差耐受要求5T/CRES0038-2025T/CERS0085-2025电池堆压力差耐受性能应符合制造商技术文件规定，在经受本文件规定的压力差试验后，电池堆及其零部件不应出现开裂、永久变形或其他物理损伤。5.6最大允许窜气要求电池堆最大允许窜气性能应符合制造商技术文件规定，在经受本文件规定窜气试验后，电池堆及其零部件不应出现开裂、永久变形或其他物理损伤。5.7额定功率要求电池堆按制造商给定的工作条件运行时，其额定功率应不低于制造商在技术文件中的规定值。5.8质量功率密度要求电池堆按制造商给定的工作条件运行时，其质量功率密度应不低于制造商在技术文件中的规定值。5.9体积功率密度要求电池堆按制造商给定的工作条件运行时，其体积功率密度应不低于制造商在技术文件中的规定值。5.10电气过载要求电池堆在经受本文件规定的电气过载试验后，电池堆不应出现开裂、永久变形或其他物理损伤。5.11高低温环境储存要求电池堆按制造商规定的温度条件在进行低温储存试验或高温储存试验后，不应出现开裂、破碎、永久变形或其他物理损伤。气密性和性能试验结果均应满足制造商在技术文件中的规定。5.12耐振动与冲击要求被试样品在经受与预期使用过程中的冲击及振动环境相同或相似的情形下，不应引起任何危险或功能失效。气密性、绝缘性和性能试验均应满足制造商在技术文件中的规定。注：5.1~5.3是安全性能要求，5.4~5.12是工作性能要求。6试验方法6.1试验环境条件除非另有规定，电池堆宜在如下所述的环境条件下进行试验：a)海拔不超过4000m；b)环境温度5℃~40℃。6.2试验项目制造商根据测试项目需求提供被试样品的参数信息，对于单件生产的产品宜按表1顺序进行试验，批量生产的样品采用随机抽样的方法完成下述规定的测试项目。表1测试项目列表序号章节编号测试项目16.4.1外观检查26.4.2气体泄漏试验36.4.3绝缘试验456.4.46.4.5允许工作压力试验压力差试验66.4.6窜气试验76.4.7额定功率试验6T/CRES0038-2025T/CERS0085-202586.4.8质量功率密度96.4.9体积功率密度6.4.10电气过载试验高低温储存试验耐振动、冲击试验6.3仪器设备和精度要求用于试验的仪器至少应包括：a)测量环境条件的仪器：气压计、温湿度计；b)测量燃料条件的仪器：燃料流量计、压力测量仪、温度测量仪、湿度测量仪/露点温度计；c)测量氧化剂的仪器：氧化剂流量计、压力测量仪、温度测量仪、湿度测量仪/露点温度计；d)测量电能输出的仪器：电压测量仪、电流测量仪、其他附件；e)常规检查要用到的仪器：称重衡器、秒表、游标卡尺等。试验设备及仪器应符合相关国家标准的规定，使用仪器的计量单位及精度的要求参见表2。注：测量气体泄漏的流量计量程范围和泄漏量相匹配。表2测量仪器及精度测量仪器计量单位精度气压计kPa不低于±2湿度计%不低于±5%温度测量仪℃不低于±1压力测量仪kPa不低于±2气体流量计L/min不低于±1.0%FS电压测量仪V不低于±0.5%FS电流测量仪A不低于±0.5%FS氢气浓度检测仪-不低于5%LEL电子秤Kg不低于0.1%FS秒表s±0.1游标卡尺mm不低于±0.026.4试验过程要求6.4.1外观检查外观检查的内容如下：—标签、外观检查：采用目测法检查被试样品的外观是否完好，有无损坏、划伤等缺陷；标签是否按要求粘贴在设计位置，标签的内容是否完整清晰；在电池堆表面是否有正负极标识。—极性检查：对接线端子和电气连接进行检验，确认是否符合要求。—尺寸及装配检查：按制造商安装图纸检查电池堆尺寸及装配。6.4.2气体泄漏试验7T/CRES0038-2025T/CERS0085-2025在电池堆升温运行前，应按照《固体氧化物燃料电池模块通用安全技术导则》（NB/T10671）对电池堆进行气体泄漏试验，试验过程应符合NB/T10671的规定。6.4.3绝缘试验在电池堆升温运行前，应按照《固体氧化物燃料电池模块通用安全技术导则》（NB/T10671）对电池堆进行绝缘电阻试验，试验过程应符合NB/T10671的规定。6.4.4允许工作压力试验对电池堆进行允许工作压力试验，试验过程应符合NB/T10671的规定。6.4.5压力差试验对电池堆进行压力差试验，试验过程应符合NB/T10671的规定。6.4.6窜气试验6.4.6.1通用要求该试验应在按照制造商规定的方法停机后，于室温下静置1h后进行。6.4.6.2阳极腔向阴极腔窜气速度的测定将电池堆的阳极腔出口、阴极腔进口全部封住。在阴极腔的出气口接上流量计，由阳极腔的进气口通入氮气，缓慢调整压力至允许最大工作压力差，试验过程中入口压力应稳定不变(即压力波动不超过2kPa)，稳定1min后，在流量计上读取氮气向阴极腔的窜气速度L1，相应窜气速度X1按照公式(1)进行计算：X1=2×R×L1..........................................................（1）式中：X1—阳极腔向阴极腔的窜气速度，单位为毫升每分钟(mL/min)；R—为修正系数，当使用氮气作为试验气体，燃料气体为氢气时，修正系数R取3.74；L1—阳极腔向阴极腔的氮气窜气速度，单位为毫升每分钟(mL/min)。6.4.7额定功率试验对电池堆进行额定功率试验，试验过程应符合GB/T34582的规定。6.4.8质量功率密度试验6.4.8.1电池堆的质量测量测量电池堆的质量m，单位为千克(Kg)。注：质量测量包括端板、端板之间的全部组件、紧固部件及作为电堆部分不可拆卸的管接头。如质量测量含有封装外壳，可在测试结果中注明。6.4.8.2电池堆质量功率密度根据6.4.7的测试结果，电池堆的质量功率密度按照公式(2)进行计算：PEG=PE/m.......................................................（2）式中：PEG—电池堆额定功率下的质量功率密度，单位为千瓦每千克(kW/Kg)；PE—电池堆额定功率，单位为千瓦(kW)；m—电池堆的质量，单位为千克(Kg)。6.4.9体积功率密度试验6.4.9.1电池堆体积测量8T/CRES0038-2025T/CERS0085-2025采用金属连接体在垂直于板面方向上的外轮廓投影面积与电池堆上下端板的间距的乘积计算燃料电池堆体积。如电池堆带有封装壳体，在测量电池堆长度时，应将该外壳全部或部分拆除后测量。体积测量步骤如下：a）采用真空吸盘或粘贴的方式，将连接体平整地吸附或粘贴在刚性平面上，确保该连接体不发生翘曲和变形等会导致投影面积可能变小的情况；b)用影像测试仪或类似设备，从连接体上方进行连接体的外轮廓扫描，将扫描结果保存并导入到计算机中，通过计算机软件计算出该连接体的投影面积，重复进行三次扫描和测量，取三次测量的算术平均值作为该电池堆所采用连接体的投影面积S1；c)用游标卡尺在至少4个不同点位测量电池堆上下端板之间的间距，即电池堆长度L，计算平均值；d)电池堆体积按照公式(3)进行计算；V=S1×L×10—6...........................................................（3）式中：V—电池堆体积，单位为升(L)；S1—连接体投影面积，单位为平方毫米(mm2)；L—电池堆长度，单位为毫米(mm)。6.4.9.2电池堆体积比功率电池堆体积比功率按照公式(4)进行计算：PEV=PE/V................................................................（4）式中：PEV—电池堆额定功率下的电池堆体积功率密度，单位为千瓦每升(kW/L)；PE—电池堆额定功率，单位为千瓦(kW)；V—电池堆的体积，单位为升(L)。6.4.10电气过载试验对电池堆进行电气过载试验，试验过程应符合NB/T10671规定。6.4.11高低温储存试验6.4.11.1通用要求本试验项目是为了评价电池堆在规定的寿命周期内，在预期的运输、储存温度及使用过程中产品对环境的适应能力是否可以达到规定的要求。试验开始前需先进行气密性试验，试验结果应满足制造商的规定值；之后按照制造商规定的要求对电池堆进行前处理，包含运行、吹扫以及静置等。在试验过程中，环境的平均升降温速率不大于2℃/min。6.4.11.2低温储存试验按照制造商规定的要求处理后，进行低温储存试验。低温储存试验步骤如下：a)电池堆置于低温储存试验环境箱中，至试验箱内环境温度与预定的最低储存温度(具体温度根据试验要求确定)的偏差满足±2℃,静置12h以上；b)试验环境温度升至室温，静置12h以上；c)重复以上过程，共3次。试验后，电池堆不应出现开裂、破损、永久变形或其他物理损伤。6.4.11.3高温储存试验按照制造商规定的要求处理后，进行高温储存试验。高温储存试验步骤如下：a)电池堆置于高温储存试