車用氫燃料電池系統(tǒng)性能測試評價 標(biāo)準(zhǔn)體系分析

郭森杰，楊燕紅*,3，姚 露，張春鋒，王 勇

（1.西華大學(xué) 汽車測控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039； 2.西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039；3.西華大學(xué) 四川智能及新能源汽車產(chǎn)業(yè)學(xué)院，四川 成都 610039）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及國家對環(huán)境保護(hù)的政策要求，脫碳加氫、清潔高效已成為能源科技進(jìn)步的大趨勢[1]。根據(jù)國際氫能委員會預(yù)測，截至2050年，氫能的使用將在全球范圍內(nèi)減少約60億噸二氧化碳排放量。因此，國際上普遍認(rèn)為，氫能將成為未來能源系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在全球能源轉(zhuǎn)型及提高能源系統(tǒng)靈活性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[2]。氫燃料電池具有能效高、零排放、能量來源廣泛、加氫速度快和低溫適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)[3]。與純電動汽車所搭載的電池相比，氫燃料電池具有加注時間短，續(xù)航里程長等優(yōu)勢，是未來汽車可持續(xù)化發(fā)展的重要方向[4]。

表1為氫燃料電池汽車的市場滲透率（預(yù)測），氫燃料電池作為新能源產(chǎn)業(yè)中具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)，具有很大的發(fā)展前景[5]。然而隨著車用氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，我國車用氫燃料電池 的性能測試標(biāo)準(zhǔn)相較于歐、美等國家和日本，已滯后于行業(yè)發(fā)展[6]，因此，進(jìn)行車用氫燃料電池系統(tǒng)的性能測試評價體系分析尤為必要。

表1 氫燃料電池汽車的市場滲透率（預(yù)測）單位：%

為了有效進(jìn)行車用氫燃料電池系統(tǒng)測試評價體系分析，本文通過分析現(xiàn)有車用燃料電池標(biāo)準(zhǔn)與歐、美相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合目前汽車行業(yè)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，對車用氫燃料電池關(guān)鍵性能測試方式進(jìn)行對比，提出改進(jìn)方向。

1 車用氫燃料電池系統(tǒng)性能測試方法

目前，涉及氫燃料電池應(yīng)用的場景包括公交車、叉車、城際客車等，相關(guān)性能測試涵蓋部件級[8]、系統(tǒng)級[9]與整車使用級[10-17]，覆蓋乘用車、商用車等類型的車輛。在我國現(xiàn)行的車用氫燃料電池系統(tǒng)的各性能試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合行業(yè)內(nèi)部發(fā)展，即宇通客車整合國內(nèi)成熟燃料電池技術(shù)、燃料電池動力系統(tǒng)的匹配與集成；北京重塑也已經(jīng)進(jìn)行燃料電池的高低壓適應(yīng)性、溫度適應(yīng)性等試驗(yàn)。這些方面的直接可用標(biāo)準(zhǔn)尚處于缺失狀態(tài)，其增加了需要進(jìn)行試驗(yàn)的測試項(xiàng)目。現(xiàn)階段燃料電池系統(tǒng)性能應(yīng)測試項(xiàng)目如圖1所示。

圖1 燃料電池系統(tǒng)性能應(yīng)測試項(xiàng)目

本文主要針對燃料電池系統(tǒng)中的關(guān)鍵性能，選取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)所對應(yīng)的性能試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行分析比較，評價各標(biāo)準(zhǔn)條款性能測試項(xiàng)目對車用場景下氫燃料電池性能測試的適用性。

1.1 安全性能分析

1.1.1 氣密性試驗(yàn)

氫燃料電池系統(tǒng)的氣密性是關(guān)乎系統(tǒng)使用安全的重要性能。《道路車輛壓縮氣態(tài)氫（CGH2）和氫/天然氣混合燃料系統(tǒng)部件第2部分：性能和一般試驗(yàn)方法》（ISO 12619-2—2014）相對于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)來說，試驗(yàn)使用氣體是氫氣而非惰性氣體，試驗(yàn)結(jié)果在實(shí)際場景中的更有參考作用，并且該標(biāo)準(zhǔn)中具體數(shù)值的泄漏率并非廠商規(guī)定，使燃料電池系統(tǒng)的安全性更加統(tǒng)一規(guī)范，具體氣密性試驗(yàn)對比分析如表2所示。

表2 氣密性試驗(yàn)對比

分析可知，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在不同的試驗(yàn)方式下制定，對燃料電池系統(tǒng)的泄漏率提出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，且應(yīng)根據(jù)不同的燃料電池運(yùn)行狀態(tài)制定不同的試驗(yàn)方法。對整車級氫燃料電池系統(tǒng)的泄漏率應(yīng)提出具體時間間隔，模擬真實(shí)駕駛環(huán)境，使其更具有代表性，方便以后對氫燃料電池氣密性的統(tǒng)一規(guī)范管理，以保護(hù)氫燃料電池系統(tǒng)的平穩(wěn) 運(yùn)行與乘客的安全。

1.1.2 絕緣性試驗(yàn)

燃料電池系統(tǒng)的絕緣性能使關(guān)乎使用者安全的重要性能，為了燃料電池絕緣性有更加良好的發(fā)展方向，根據(jù)分析國內(nèi)外對燃料電池系統(tǒng)的絕緣性的實(shí)驗(yàn)區(qū)別，得出絕緣性能對比如表3所示。

表3 絕緣性試驗(yàn)對比

通過對比可知，《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 技術(shù)條件》（GB/T 25319—2010）規(guī)定絕緣電阻的標(biāo)準(zhǔn)要求數(shù)值略低于ISO 12619-2—2014，且ISO 12619-2—2014規(guī)定需在1000 V直流電下通電至少2 s。國內(nèi)氫燃料電池系統(tǒng)不僅應(yīng)提高車身絕緣電阻數(shù)值，更應(yīng)通過科學(xué)規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合理分布電氣設(shè)備，確保氫燃料電池系統(tǒng)的絕緣性能安全。

1.2 性能測試試驗(yàn)

1.2.1 起動特性試驗(yàn)

目前，國內(nèi)關(guān)于燃料電池汽車整車低溫冷啟動的直接可用標(biāo)準(zhǔn)相對缺乏[18]。起動特性試驗(yàn)對比如表4所示。通過對比國內(nèi)外關(guān)于試驗(yàn)前預(yù)處理方式與試驗(yàn)后起動成功評判標(biāo)準(zhǔn)，對我國相關(guān)的試驗(yàn)方式提供改進(jìn)思路。

表4 起動特性試驗(yàn)對比

通過分析各標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方式與測量參數(shù)的差異可知，在我國未來標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中，需將起動特性試驗(yàn)分為冷、熱機(jī)起動試驗(yàn)，對試驗(yàn)前的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行明確規(guī)定，預(yù)處理過程中，使起動過程應(yīng)更加程序化且統(tǒng)一化。針對低溫冷啟動性能，應(yīng)根據(jù)車輛使用情況酌情決定是否需要二次冷浸，起動完成后應(yīng)規(guī)定持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時間。測量的數(shù)據(jù)應(yīng)在起動時間與燃料電池發(fā)動機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，增加輔助系統(tǒng)電壓電流數(shù)據(jù)與氫氣的消耗量，在高壓、高溫以及高寒等條件下的起動特性試驗(yàn)應(yīng)作相應(yīng)的補(bǔ)充。

1.2.2 工況試驗(yàn)

在對比國標(biāo)中關(guān)于燃料電池系統(tǒng)在不同車輛、不同使用情況下的試驗(yàn)方式以及國內(nèi)外不同標(biāo)準(zhǔn)中對于工況特性的試驗(yàn)區(qū)別，如表5所示。

表5 工況特性試驗(yàn)對比

通過對比可知，《客車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測試方法》（GB/T 28183—2011）列出了具體工況表，并給出具體運(yùn)行時間，其他標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定各條件下的測試方式。在我國未來相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定中，應(yīng)增加更具有代表性的工況點(diǎn)位，在各功率特性試驗(yàn)中應(yīng)進(jìn)一步補(bǔ)充功率大小與持續(xù)時間等信息。測量的數(shù)據(jù)應(yīng)包括更加全面的測量數(shù)據(jù)，即工況下的運(yùn)行時間、燃料消耗量、各系統(tǒng)中的電壓、電流與外部環(huán)境的溫度、濕度和進(jìn)氣的溫度與壓力等，從而對氫燃料電池系統(tǒng)作出更加全方位的評價。

2 環(huán)境試驗(yàn)性能分析

2.1 溫度適應(yīng)性試驗(yàn)

《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)條件》（GB/T 25319—2010）中高溫適應(yīng)性試驗(yàn)需發(fā)電系統(tǒng)與散熱器均置于環(huán)境溫度為（45±2）℃，發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行60 min；而低溫適應(yīng)性試驗(yàn)需將發(fā)電系統(tǒng)置于-10 ℃環(huán)境1 h后，將環(huán)境溫度升到10 ℃進(jìn)行解凍，此過程重復(fù)10次，發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能按制造商的規(guī)定正常啟動。《道路車輛壓縮氣態(tài)氫（CGH2）和氫/天然氣混合燃料系統(tǒng)部件第1部分：一般要求和定義》（ISO 12619-1—2014）里溫度適應(yīng)性的溫度區(qū)間如表6所示。

表6 溫度適應(yīng)性試驗(yàn)對比

由分析可知，國內(nèi)電池系統(tǒng)的低溫度適應(yīng)性試驗(yàn)溫度區(qū)間較低，只在-10～10 ℃往復(fù)循環(huán)解凍，高溫適應(yīng)性為（45 ±2）℃。在溫度區(qū)間上限低于國外標(biāo)準(zhǔn)，下限高于國外標(biāo)準(zhǔn)。在以后的標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)該側(cè)重在溫度區(qū)間的選擇，提高電池對復(fù)雜環(huán)境溫度的適應(yīng)性。

2.2 耐振動試驗(yàn)

在對耐振動性試驗(yàn)中，《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 技術(shù)條件》（GB/T 25319—2010）中規(guī)定振動方向?yàn)樯舷聠握駝樱徽駝宇l率為30～35 Hz；最大加速度為30 m/s2。相較于《道路車輛壓縮氣態(tài)氫（CGH2）和氫/天然氣混合燃料系統(tǒng)部件第2部分：性能和一般試驗(yàn)方法》（ISO 12619-2—2014）對比如表7所示。

表7 耐振動試驗(yàn)對比

由表7可知，ISO 12619-2—2014在振動方向、時間上均較GB/T 25319—2010更全面，且在振動后進(jìn)行氫泄漏試驗(yàn)。我國未來相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定中，可在三維方向上均施加振動，適當(dāng)增加振動時間，且對振動試驗(yàn)后的設(shè)備進(jìn)行氫泄漏試驗(yàn)，更能保證燃料電池系統(tǒng)的耐振動性。

2.3 其他性能測試

關(guān)于吹掃氣體消耗量試驗(yàn)、水消耗量測試、廢熱試驗(yàn)、廢氣排放試驗(yàn)、可聞噪聲級試驗(yàn)、振動級別試驗(yàn)、排放水質(zhì)量試驗(yàn)等性能試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)體系中對這些性能試驗(yàn)涉及相對較少，在以后發(fā)展中應(yīng)補(bǔ)充相關(guān)試驗(yàn)方式、環(huán)境要求與具體操作。另外，氫燃料電池電動汽車整車能耗和續(xù)駛里程、碰撞安全性、環(huán)境適應(yīng)性等方面也相對缺乏[19]。

3 展望

目前，我國的氫燃料電池系統(tǒng)部件已經(jīng)取得較大進(jìn)展，將系統(tǒng)應(yīng)用于整車的發(fā)電技術(shù)也逐漸完善，針對氫燃料電池系統(tǒng)性能測試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在積極修訂中。在標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展中，需考慮氫燃料電池汽車整車能耗和續(xù)航里程、碰撞安全性、環(huán)境適應(yīng)性等性能測試方式的不足之處。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，對高低溫儲存、高海拔、散熱性等方面的性能試驗(yàn)提出覆蓋更廣泛、方式更細(xì)致的測試方法。對于防腐蝕性試驗(yàn)，建議在試驗(yàn)后增加壓力測試、氣密性測試項(xiàng)目，部件的失效壓力、氣密性與原始部件的失效壓力、氣密性進(jìn)行對比。關(guān)于電磁兼容性、高低壓適應(yīng)性等環(huán)境適應(yīng)性能測試方式應(yīng)符合目前行業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況。

通過對性能試驗(yàn)項(xiàng)目的對比評價，使我國標(biāo)準(zhǔn)體系未來的發(fā)展方向更加清晰明了，測試方式更加規(guī)范統(tǒng)一，加快我國氫燃料電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)。氫燃料電池系統(tǒng)測試評價體系應(yīng)包含性能安全、環(huán)境、壽命等各個方面，提高對其各項(xiàng)指標(biāo)的要求，保證在各種使用環(huán)境下的安全可靠性。