燃料電池系統(tǒng)測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)研究

吳 迪，郭 婷

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)

我國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)化已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)初期，燃料電池系統(tǒng)作為燃料電池汽車的核心部件，其性能是影響整車性能的重要因素[1-3]。車企在選用燃料電池系統(tǒng)時(shí)需要進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)價(jià)和評(píng)估。本文對(duì)燃料電池系統(tǒng)的測(cè)評(píng)指標(biāo)進(jìn)行梳理，以促進(jìn)燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

我公司搭建的燃料電池系統(tǒng)測(cè)評(píng)實(shí)驗(yàn)室，滿足150 kW燃料電池系統(tǒng)的測(cè)試能力，其中包括電子負(fù)載、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和氫氣供應(yīng)系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)室提供)。通過(guò)設(shè)置不同的測(cè)試工況對(duì)燃料電池系統(tǒng)的極化曲線、安全性等進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 我國(guó)車用燃料電池系統(tǒng)測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)

燃料電池系統(tǒng)的組成部件較多[4]，主要包括燃料供應(yīng)、空氣供應(yīng)、熱管理、水管理、電堆實(shí)時(shí)控制等系統(tǒng)。目前我國(guó)涉及其性能測(cè)評(píng)的標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)覆蓋一部分，其中主要標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目如下：

1) GB/T 24554—2009《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》[5]主要測(cè)試燃料電池系統(tǒng)的基本性能和安全性能，具體包含啟動(dòng)、額定功率、峰值功率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)特性等性能測(cè)試項(xiàng)目和氣密性、絕緣電阻等安全項(xiàng)目。

2) GB/T 25319—2010《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 技術(shù)條件》[6]主要測(cè)評(píng)燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，包括高低溫適應(yīng)性、高低溫貯存、低溫冷啟動(dòng)和耐振性等測(cè)評(píng)項(xiàng)目。

3) GB/T 33978—2017《道路車輛用質(zhì)子交換膜燃料電池模塊》[7]對(duì)燃料電池系統(tǒng)的電磁兼容性提出了要求，包括傳導(dǎo)發(fā)射、輻射發(fā)射、電磁抗擾度、靜電抗擾度等測(cè)試項(xiàng)目。

4) GB/T 31467.3—2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分：安全要求與測(cè)試方法》[8]，借用該標(biāo)準(zhǔn)，主要測(cè)評(píng)燃料電池系統(tǒng)的可靠性，包括防水、防塵、高原適應(yīng)性等項(xiàng)目。由于目前我國(guó)沒(méi)有相應(yīng)的專門(mén)標(biāo)準(zhǔn)，所以可參照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

5) GB/T 34593—2017《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氫氣排放測(cè)試方法》[9]具體測(cè)試燃料電池系統(tǒng)尾排中H2的濃度和H2的消耗量。

2 具體測(cè)試項(xiàng)目研究

2.1 性能測(cè)試

1) 啟動(dòng)測(cè)試。包括冷機(jī)啟動(dòng)和熱機(jī)啟動(dòng)。其中冷機(jī)啟動(dòng)與傳統(tǒng)意義上的冷啟動(dòng)不同，需要保證試驗(yàn)前燃料電池系統(tǒng)處于冷機(jī)狀態(tài)。啟動(dòng)后需要在怠速狀態(tài)下維持穩(wěn)定運(yùn)行10 min。

2) 額定功率測(cè)試。按照供應(yīng)商的要求進(jìn)行加載，至額定功率持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行60 min。

3) 峰值功率測(cè)試。加載到峰值功率點(diǎn)后在該功率點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行10 min。

4) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)。一般為保證燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出，采用恒流的方式進(jìn)行加減載，加減載的速率由廠家確定，標(biāo)準(zhǔn)上不作過(guò)多要求。

5) 穩(wěn)態(tài)特性。一般在10%～90%額定功率的功率范圍內(nèi)均勻選擇10個(gè)工況。每個(gè)工況點(diǎn)至少穩(wěn)定運(yùn)行3 min，記錄電壓、電流、氫氣消耗量等。

6) 緊急停機(jī)。為考察在特殊情況下燃料電池系統(tǒng)的工作性能，在不低于50%的額定功率點(diǎn)進(jìn)行緊急斷氣，5 min后重新啟動(dòng)。在測(cè)試過(guò)程中僅關(guān)閉氫氣的供應(yīng)，并不關(guān)閉輔助系統(tǒng)電源的供應(yīng)，所以一般燃料電池系統(tǒng)可進(jìn)行自我信號(hào)的回饋，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

選取國(guó)內(nèi)一款典型的30 kW燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。分析表明，目前燃料電池系統(tǒng)一般都工作在低效率區(qū)域。因此，提升高效功率區(qū)是提升其性能的關(guān)鍵措施。燃料電池長(zhǎng)期在重載區(qū)工作對(duì)其使用壽命影響較大[10-11]，所以需要將燃料電池盡量控制在中負(fù)荷區(qū)工作，以延長(zhǎng)其使用壽命。另外，有效地降低輔助系統(tǒng)的功率能夠提高燃料電池系統(tǒng)的效率。

基于現(xiàn)階段我國(guó)燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)水平，燃料電池系統(tǒng)的性能測(cè)試中容易出現(xiàn)的問(wèn)題有：

1) 燃料電池系統(tǒng)自身通訊故障，如上位機(jī)發(fā)送的指令無(wú)法被輔助系統(tǒng)接收。

2) 輔助系統(tǒng)故障，如水泵、風(fēng)扇無(wú)法正常工作。

3) 氫氣側(cè)進(jìn)氣壓力失調(diào)，導(dǎo)致膜穿孔。

4) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試中拉載速率過(guò)快導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)停機(jī)。

5) 管路連接不良，導(dǎo)致氣密性不符合要求。

6) 樣品體積、質(zhì)量、功率密度等數(shù)值不匹配。

7) 電堆活化不足或存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等原因，導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到標(biāo)稱的額定功率。

2.2 安全性測(cè)試

對(duì)于燃料電池汽車，無(wú)論是整車還是系統(tǒng)，氫氣及電安全都是重要的測(cè)試項(xiàng)目。其代表是燃料電池系統(tǒng)的氣密性和絕緣電阻。

1) 氣密性測(cè)試。分為內(nèi)漏和外漏測(cè)試。內(nèi)漏測(cè)試將燃料電池系統(tǒng)中充滿惰性氣體(一般為氦氮混合)，壓力設(shè)定為50 kPa。壓力穩(wěn)定后，關(guān)閉系統(tǒng)中的H2進(jìn)氣閥，保持20 min。外漏測(cè)試是將燃料電池系統(tǒng)的排氫閥關(guān)閉、排氣口封閉，將燃料電池系統(tǒng)和陰極流道中充滿惰性氣體(氦氮混合)，兩側(cè)壓力都設(shè)定為正常工作壓力，關(guān)閉兩側(cè)進(jìn)氣閥，保持20 min。記錄測(cè)試中壓力的下降值。

2) 絕緣電阻測(cè)試。保持燃料電池系統(tǒng)的冷卻泵處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，系統(tǒng)處于熱機(jī)的狀態(tài)。利用絕緣耐壓表，一般進(jìn)行500 V的打壓，分別進(jìn)行陽(yáng)極和陰極的絕緣電阻測(cè)試。

2.3 環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試

燃料電池系統(tǒng)由于本身的水熱管理等原因，其環(huán)境適應(yīng)性是其難以商業(yè)化的重要因素之一?？紤]到其應(yīng)用場(chǎng)景，目前將高低溫適應(yīng)性、高低溫貯存和冷啟動(dòng)作為其考察的重要因素。

1) 高低溫適應(yīng)性。發(fā)電系統(tǒng)與散熱器均置于45 ℃±2 ℃溫度環(huán)境，在額定功率下運(yùn)行 60 min；將發(fā)電系統(tǒng)置于-10 ℃環(huán)境中1 h，之后將環(huán)境溫度升到10 ℃進(jìn)行解凍。此過(guò)程重復(fù)10次，再按制造商規(guī)定的要求啟動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能按制造商的規(guī)定正常啟動(dòng)。

2) 高低溫貯存。選取-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃、60 ℃等溫度點(diǎn)，將燃料模塊置于試驗(yàn)環(huán)境中靜置12 h以上，然后再靜置至室溫12 h，重復(fù)3次，然后觀察樣品是否出現(xiàn)裂痕、扭曲變形，并進(jìn)行氣密性、運(yùn)行和竄氣試驗(yàn)。

3) 低溫冷啟動(dòng)。將環(huán)境艙的溫度設(shè)置到規(guī)定的溫度，環(huán)境艙溫度達(dá)到規(guī)定溫度以后開(kāi)始計(jì)時(shí)，靜置12 h，啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)保持在額定功率下持續(xù)運(yùn)行10 min，關(guān)機(jī)。重復(fù)上述1次。低溫冷啟動(dòng)的內(nèi)容正在修訂到GB/T 24554中。目前根據(jù)GB/T 31035—2014[12]中的測(cè)試方法進(jìn)行。其中容易出現(xiàn)的問(wèn)題有：冷凍過(guò)程中管路出現(xiàn)泄漏；低溫啟動(dòng)時(shí)，某些元器件(如電磁閥等)被凍住，導(dǎo)致無(wú)法正常啟動(dòng)；尾排管內(nèi)的水因?yàn)槟承┰?如尾排管出口過(guò)高)沒(méi)有順利排出，在低溫環(huán)境中被凍住，阻塞管路，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗；冷啟動(dòng)時(shí)，所需加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

2.4 可靠性測(cè)試

燃料電池系統(tǒng)也必然會(huì)對(duì)其耐振性、防水防塵、高原適應(yīng)性進(jìn)行考核。特別是高原適應(yīng)性，由于燃料電池的燃料為氣體，高原環(huán)境對(duì)其影響最為嚴(yán)重。

1) 發(fā)電系統(tǒng)耐振動(dòng)性試驗(yàn)應(yīng)符合GB/T 25319—2010中[6]規(guī)定。試驗(yàn)后，發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能正常啟動(dòng)。

2) 防水防塵應(yīng)按照GB/T 31467.3—2015中[8]試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)符合IP55等級(jí)要求。

3) 高原適應(yīng)性目前沒(méi)有明確的要求，可參考GB/T 31467.3—2015中[8]7.12的要求。

在所有的可靠性測(cè)試的前后，都需要按照2.2進(jìn)行安全性的復(fù)測(cè)。

2.5 經(jīng)濟(jì)性測(cè)試

按GB/T 34593—2017[9]中規(guī)定的循環(huán)工況和穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行測(cè)試，記錄氫氣流量、電流、電壓等。具體如下：

1) 穩(wěn)態(tài)工況。選取燃料電池系統(tǒng)工作范圍內(nèi)的11個(gè)工況點(diǎn)，在每個(gè)工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行3 min。

2) 循環(huán)工況。按照標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定特定循環(huán)工況進(jìn)行測(cè)試，不允許工況中斷。

3 結(jié)束語(yǔ)

燃料電池系統(tǒng)測(cè)試評(píng)價(jià)體系包含性能、安全、可靠、環(huán)境、壽命等幾個(gè)方面，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其各項(xiàng)指標(biāo)的要求，保證車用各工況下的性能。