商用車用燃料電池堆耐久性測試方法概述

趙鑫，陳光,馬明輝

1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300;3.中汽研新能源汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300

0 引言

近年來，我國燃料電池汽車發展以商用車為主，燃料電池商用車的實際使用環境與傳統內燃機車型相比，其運行線路、?？?停放地點較為固定，主要顧客群更集中，且壽命至少要達到10 000 h以上才能滿足使用要求。在研發過程中，由于燃料電池汽車的動力系統與傳統汽車相比存在本質差異，其設計方法與評價指標也有所不同，因此需開展各核心系統的耐久性測試。

在商用車用燃料電池堆耐久性測試試驗中，試驗工況的合理性是影響測試結果可靠性的重要因素之一。文中以商用車用燃料電池堆為研究對象，首先介紹了商用車用燃料電池堆的發展現狀；其次概述了商用車用燃料電池堆的性能衰減因素；最后總結了幾種常用的車用燃料電池耐久性測試工況，在此基礎上對商用車用燃料電池堆耐久性測試工況進行了展望。

1 商用車用燃料電池堆發展現狀

目前，質子交換膜燃料電池已成為我國燃料電池商用車動力系統的主要技術路線。經過多年發展，形成了一批燃料電池堆及燃料電池系統企業。目前，億華通產品的電堆功率密度可達到2.0 kW/L，耐久性可達到8 000 h，可以在-30 ℃下冷啟動，-40 ℃下低溫存儲，且已實現批量生產。上海捷氫自主研發的新一代大功率燃料電池堆的關鍵性能指標已達到國際先進水平，應用范圍可涵蓋乘用車和商用車。上海重塑旗下的CAVEN系列燃料電池系統被廣泛應用于車用領域，CAVEN 3、CAVEN 4、CAVEN 7等產品的額定功率為30～60 kW，壽命可達12 000～15 000 h，CAVEN 7ex的額定功率為80 kW，壽命可達15 000 h以上。現如今，燃料電池技術在商用車領域的真正推廣，仍需進一步提高燃料電池的功率，提升系統效率，提升電電混合程度，加強關鍵材料和零部件技術攻關。

2 商用車用燃料電池堆性能衰減因素

商用車用燃料電池堆的性能衰減因素大致分為以下4類：①設計及工藝因素。多為設計、制造和裝配過程中出現的不合理因素。②材料因素。指材料本身屬性所引起的性能衰減。③健康因素。指運行過程中水熱管理(水淹、膜干、溫度過高)或氣體管理(缺氣)導致的性能衰減。④運行因素。主要受反應氣純度、運行工況(開路、怠速、低溫冷啟動等)、路面條件等的影響。上述因素可能導致燃料電池堆的質子交換膜、催化層、氣體擴散層、雙極板以及密封組件五大部件的性能衰減。例如，頻繁的啟停會導致催化劑碳載體腐蝕，引起催化層性能衰減；怠速工況引起的質子交換膜分解、蠕變、開裂等機械衰減，會導致質子交換膜性能下降；反復加減載導致的電位循環容易引起催化劑鉑顆粒粗大化，造成催化層性能衰減；過載工況將加速質子交換膜、催化劑以及載體的衰減。

3 車用燃料電池堆耐久性測試工況

一直以來，由于耐久性試驗昂貴費時，國內對燃料電池堆的耐久性研究較少。近年來，鑒于研究的緊迫性，許多機構已經進行了相關耐久性試驗。燃料電池堆耐久性測試方法主要分為穩態法和動態法。穩態法是指在恒定電流密度(或電壓)下運行電池，記錄電壓(或電流)及性能的變化。2002年，AHN等進行了電堆穩態耐久性測試。2004年，KNIGHTS等完成了12 000 h的燃料電池穩態耐久性實驗，其性能衰減率為0.5 μV/h。利用穩態法得到的燃料電池耐久性測試結果較好，然而并不能用來表征車載條件下的燃料電池耐久性，在汽車運行環境中，燃料電池要經歷多種運行工況的變化。

動態法是指車輛實際運行過程中，燃料電池堆輸出功率隨載荷變化的過程，該過程會引起缺氣和電壓頻繁變化，造成燃料電池堆的衰減。汽車運行過程中燃料電池堆主要經歷開路、啟停、怠速、額定、過載、加減載、勻速等工況，不同工況間的變化會引起電堆的變載，因此變載工況下電堆的耐久性測試成為近年來的研究熱點。2009年，陸鑫等用怠速穩定性、變工況加載、循環變工況加載穩定性等集合制定的測試工況進行車況條件下的壽命測試。2010年，侯中軍等利用自制的測試工況進行了1 000 h燃料電池堆的壽命測試。

下面介紹幾種常用的車用燃料電池堆耐久性測試工況。

(1)IEC標準耐久性測試工況

IEC標準車用燃料電池堆耐久性試驗工況由市區循環和市郊循環組成，包括啟停、怠速、加減載、額定以及勻速行駛等日常行駛中的常見工況，開路、低載和怠速工況占比41.4%，額定工況占比3.7%，工況循環一次時長為1 180 s。該工況功率分布范圍廣，其中在動態循環工況部分功率跨度從5% PE(燃料電池堆額定功率)到100% PE，各功率占比時間合理，但缺少過載這一典型工況。

(2)DOE耐久性測試工況

DOE車用燃料電池堆耐久性測試工況具有高速度和高加速度特點，最高車速為129.2 km/h，平均車速為77.9 km/h，包含怠速、加減載、勻速和額定等常見工況，開路、低載和怠速工況占比30.0%，額定工況占比9.7%，過載工況占比5.6%，循環一次時長為360 s。該工況包括了所有作為車用燃料電池堆衰減主要原因的4個典型工況，功率跨度大且各功率點時間占比合理，但常用功率點過少。

(3)HYZEM耐久性測試工況

HYZEM車用燃料電池堆耐久性測試工況由市內循環、市郊循環和高速循環3個部分組成，平均速度40.4 km/h，平均加速度0.71 m/s，最大加速度1.3 m/s，包括怠速、啟停、加減載等常見工況，工況循環一次時長為540 s。該工況特點鮮明，比NEDC工況代表了更多的駕駛工況，且穩定速度部分要少很多，電流點分布合理，但缺少勻速行駛工況。

(4)同濟大學耐久性測試工況

同濟大學車用燃料電池堆耐久性測試工況包含怠速、額定、啟停、加減載以及勻速等常見工況，開路、低載和怠速工況占比37.9%，過載工況占比2.4%，額定工況占比9.2%，各工況占比時間合理，工況循環一次時長為1 200 s。該工況包括了所有作為車用燃料電池堆衰減主要原因的4個典型工況，其中在動態循環工況部分功率跨度從8% PE到120% PE，且包含了過載工況，功率分布范圍更大。

(5)清華大學耐久性測試工況

清華大學車用燃料電池堆耐久性測試工況由怠速、低速、勻速、中速和高速等14個工況構成，開路、低載和怠速工況占比28.3%，額定工況占比51.7%，過載工況占比3.3%，最高車速60 km/h，平均車速16.1 km/h，最大加速度1.543 m/s，工況循環一次時長為60 min。該工況具有國內公交車日常行駛的特點，包含了導致車用燃料電池堆衰減的4個典型工況；動態循環工況中電流跨度從3.7% IE(額定功率點對應的額定電流)到120% IE，各功率點時間占比均勻，符合公交車實際運行時的功率分布，但額定功率部分時間占比較大。

4 結論

商用車用燃料電池堆耐久性測試工況的合理性是影響測試結果可靠性的關鍵因素之一。文中以商用車用燃料電池堆為研究對象，首先，介紹了商用車用燃料電池堆的發展現狀，我國現已初步掌握了燃料電池堆和關鍵材料等的配套研發體系。其次，概述了燃料電池堆的性能衰減因素，主要包括設計及工藝因素、材料因素、健康因素以及運行因素。最后，總結了幾種常用的車用燃料電池耐久性測試工況特征。

在此基礎上對商用車用燃料電池堆耐久性測試工況進行了展望：① 進一步研究商用車用燃料電池堆的性能衰減因素；② 建立商用車用燃料電池堆耐久性測試方法。