燃料電池發動機測試評價體系

孫田 陳光 楊沄芃 王祥祥 謝振兵

摘 要：燃料電池示范應用政策的開展，對于推動氫燃料電池汽車的快速發展、提升燃料電池行業信息具有積極意義。燃料電池發動機作為燃料電池汽車的動力核心，直接影響燃料電池汽車的輸出性能，因此對于燃料電池發動機的測試至為重要，本文對目前行業內對于燃料電池發動機的測試方法和評價體系進行匯總及介紹，供燃料電池行業參考。

關鍵詞：燃料電池發動機 測試指標 評價方法

Abstract：The implementation of fuel cell demonstration and application policy is of positive significance to promote the rapid development of hydrogen fuel cell vehicles and improve the information of fuel cell industry. As the power core of fuel cell vehicle， fuel cell engine directly affects the output performance of fuel cell vehicle. Therefore， the test of fuel cell engine is very important. This paper summarizes and introduces the test methods and evaluation system of fuel cell engine in the current industry for the reference of fuel cell industry.

Key words：fuel cell engine， test index， evaluation method

1 引言

燃料電池發動機是由電堆、空氣供給系統、氫氣供給系統、水熱管理系統、控制器等部分組成的系統，各子系統協調工作為電堆提供合適的水、電、氣條件，國產某型號燃料電池發動機如圖1所示。

燃料電池發動機的輸出受多因素影響，因此為燃料電池發動機建立一套完整的測試評價方法非常重要，合理完善的測試評價體系有利于企業在測試過程中發現燃料電池發動機的輸出特性，為提高燃料電池發動機產品綜合質量提供有力保障。

國內外專家學者基于現有的燃料電池產品開展了測評相關研究。吳詩雨等[1]基于整車燃料經濟性對燃料電池汽車能量管理策略進行相關測評研究。郭溫文等[2-3]通過對比行業內燃料電池發動機測評方法，結合實車需求提出一種燃料電池發動機耐久測試工況，并進行了相關試驗研究?，F有標準中，對于燃料電池發動機性能、發電系統技術條件及部件性能提供了部分測試方法要求[4-7]，行業內也有專家對相關標準進行了解讀及分析[8-16]。本文對行業內較為關注的燃料電池發動機指標進行總結，并簡單介紹已有的相關測試方法。

2 燃料電池發動機測試評價

2.1 運行特性

燃料電池常規運行中，較為值得關注的指標即為額定功率?，F階段額定功率的測試方法主要是依據強檢標準GB/T 24554-2009《燃料電池發動機性能試驗方法》第7.4條，以燃料電池發動機在額定功率點運行60 min，記錄該60 min的燃料電池發動機輸出功率曲線并記錄平均值。在工信部裝備中心裝備中心[2021]367號《燃料電池汽車測試規范》第2條中，更是規定了60 min內額定功率平均值應大于額定功率申報值，同時波動范圍應在平均值的3%范圍內。這個標準較中機函2號文《動力電池、燃料電池相關技術指標測試方法》第3條中所規定的60 min內額定功率平均值應大于額定功率申報值、波動范圍應在平均值的5%范圍內要求更為嚴苛。

峰值功率的測試一般以強檢標準GB/T 24554-2009《燃料電池發動機性能試驗方法》第7.5條為依據，受產品質量差異，因此標準未不限制峰值功率點的拉載時間，峰值功率的運行時間由廠家自行決定。

同時，功率密度為衡量燃料電池發動機的重要指標之一，但由于燃料電池發動機不規則性較大，在體積測量方面未有明確的測試方法，因此在額定功率的基礎上，《燃料電池汽車測試規范》提出了燃料電池發動機質量功率密度的測試方法，來覆蓋功率密度這一測試空白。

動態響應特性、穩態特性兩項指標一般均采用GB/T 24554-2009《燃料電池發動機性能試驗方法》中第7.6、7.7條規定，動態響應特性推薦以10%Pe和90%Pe分別為加載和減載的起點終點，衡量燃料電池發動機的響應速度。穩態特性則至少運行十個點，每個點運行時間不少于3 min，記錄電堆電壓電流和輔助系統電壓電流。

燃料電池發動機運行過程中，由于空壓機、氫泵、水泵等處于高速運行狀態，尤其是空壓轉速達到每分鐘上萬轉，會產生大量的噪音。而現階段，燃料電池發動機NVH測試處在無國標依據的空白區段，因此NVH的測試方法均是各家企業依據自身情況進行測試，在行業內未形成公認的NVH測試方法和測試依據。

2.2 安全性能

燃料電池發動機本身是一個氣、電、水耦合的復雜精密系統，因此衡量燃料電池發動機安全性能一般以氣密性和絕緣電阻為考量指標。

氣密性一般以GB/T 24554-2009《燃料電池發動機性能試驗方法》第7.9條為參考進行氫單腔保壓和氫空兩腔保壓，除此之外也有部分廠家根據GB/T 20042.2-2008《質子交換膜燃料電池 電池堆通用技術條件》第5.6條為參考進行氫腔、空腔和水腔的竄氣試驗。

絕緣電阻測試一般依據GB/T 24554-2009《燃料電池發動機性能試驗方法》進行測試，使用絕緣電阻測試儀分別測試正對地、負對地的絕緣電阻數值，同時燃料電池發動機絕緣電阻測試也應滿足GB 18384-2020《電動汽車安全要求》中對燃料電池電動汽車的要求。

2.3 燃料經濟性

燃料經濟性作為衡量能量利用率的重要指標，為保證燃料電池發動機的良好輸出特性，氫氣供給采用過量供應的方式，雖然有氫氣循環泵等氫氣循環方案，但是無法保證氫氣100%的利用，因此，在氫氣尾排中會排出一部分未參與電化學反應的氫氣。

目前為衡量燃料電池發動機氫氣排放狀況，GB/T 34593-2017《燃料電池發動機氫氣排放測試方法》中詳細規定了關于穩態工況和循環工況下氫排放的測試方法，根據電堆理論氫耗和實際氫耗計算氫氣排放量和氫氣排放率。同時也有部分廠家根據GB/T 37154-2018《燃料電池電動汽車 整車氫氣排放測試方法》第6.1條測試方法對怠速工況下的氫氣尾排濃度進行檢測。

除氫氣排放量、氫氣排放率外，也可采用電堆效率和燃料電池發動機效率評價燃料電池發動機經濟性能，電堆效率和燃料電池發動機效率的測試及計算均采用GB/T 24554-2009《燃料電池發動機性能試驗方法》第8條中的計算方法，即電堆效率為：

其中：ηs為電堆效率；

Ps為電堆功率，單位為kW；

mH2為氫氣流量，單位為g/s；

LVHH2為氫氣低熱值，1.2×105kJ/kg。

燃料電池發動機效率為：

其中：ηF為燃料電池發動機效率；

PF為燃料電池發動機功率，單位為kW。

2.4 環境適應性

燃料電池發動機環境適應性主要是指三高環境適應性，即高溫、高寒、高海拔三種極端環境下燃料電池發動機的運行能力。三高環境會影響燃料電池發動機的進氣流量、進氣溫度以及水熱管理，因此對燃料電池發動機進行三高測試是體現燃料電池發動機產品技術成熟的必要流程，不可或缺。目前對于燃料電池三高環境試驗的標準主要是針對溫度適應性，由于目前燃料電池汽車并未大規模投入使用，尤其是沒有在高海拔地區等極端環境下，因此目前燃料電池發動機廠家對于高原環境性試驗的需求較少，僅有部分廠家根據整車廠要求進行研發摸底測試，而且高原環境性試驗目前沒有法規標準可依據，處于行業空白。

高溫適應性試驗目前主要是依據GB/T 25319-2010《汽車用燃料電池發電系統 技術條件》5.5.1中規定，在45℃±2℃環境下以額定功率運行1小時，主要考察燃料電池發動機的主輔散系統在高溫環境下的散熱能力能否滿足燃料電池發動機正常工作的基本需求。

由于在低溫環境下尤其是0℃以下，電堆內部水傳輸和電堆結構會受到一定影響，因此燃料電池發動機的低溫適應性試驗受到行業的廣泛重視。現階段GB/T 25319-2010《汽車用燃料電池發電系統 技術條件》5.5.2、GB/T 33979-2017《質子交換膜燃料電池發電系統低溫特性測試方法》第8條、工信部裝備中心裝備中心[2021]367號《燃料電池汽車測試規范》第5條中分別提出了三種低溫適應性測試方法。GB/T 25319-2010《汽車用燃料電池發電系統 技術條件》規定將燃料電池發動機在-10℃中靜置1h后放置10℃解凍，重復10次后檢查燃料電池發動機能否正常啟動，可以看出該測試方法中并無低溫運行要求，只是檢測低溫環境下的耐受能力。GB/T 33979-2017《質子交換膜燃料電池發電系統低溫特性測試方法》第8條則明確提出，在-30℃環境下靜置12 h，然后啟動，啟動成功后繼續-30℃浸機12 h，再次啟動。工信部裝備中心裝備中心[2021]367號《燃料電池汽車測試規范》第5條中仍然采用-30℃環境下靜置12 h然后啟動的測試方法，但是要求只有凍一次啟一次，而且明確了可以進行低溫吹掃。整體來說，低溫冷啟動目前還是行業急需要解決的卡脖子難題，目前很多燃料電池企業對于解決-30℃環境下的快速啟動還處在攻關階段。燃料電池發動機低溫冷啟動試驗見圖2。

除高低溫適應性試驗外，還有部分標準規定了溫度存儲的測試方法，主要是高低溫存儲后測試氣密、運行性能等評價燃料電池發動機能力，但該測試方法目前逐漸已被棄用，主流還是在高低溫環境下的運行測試為主。

2.5 可靠性

衡量燃料電池發動機可靠性的測試有振動、防水防塵、鹽霧、電磁兼容、耐久壽命等。目前振動、鹽霧、防水防塵測試沒有單獨針對燃料電池發動機的測試標準及依據，振動一般是參考動力電池標準GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》或GB/Z18333.1-2001《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》進行測試，燃料電池發動機振動測試見圖3。

鹽霧則是根據GB/T 2423.17-2008《電工電子產品環境試驗+第2部分：試驗方法+試驗Ka：鹽霧》中第6條進行測試，防水防塵試驗則是根據防水防塵通用標準GB/T 4208-2017 外殼防護等級（IP代碼）進行檢驗。

由于燃料電池發動機工作配套的大功率DC-DC、空壓機、氫泵、FCU控制器等工作會對燃料電池發動機產生一定的電磁干擾，雖然燃料電池發動機電磁兼容性能測試目前沒有相關國標，但是中國汽車工程學會發布的團標T/CSAE 149-2020《燃料電池發動機電磁兼容性能試驗方法》規定了燃料電池發動機的電磁兼容測試方法。燃料電池發動機電磁兼容試驗見圖4。

現階段，燃料電池發動機耐久壽命現階段也沒有統一標準，各家的燃料電池發動機耐久工況各有差異，基本為各燃料電池發動機企業根據整車載荷譜分析得出，耐久壽命測試受工況、BOP等多種因素限制，因此目前行業內急需有一個統一標準對相關測試方法、測試條件進行明確規定。

3 結語

（1）燃料電池發動機為氣、水、電耦合復雜系統，其工作狀態受多重因素印象。目前評價燃料電池發動機的指標有運行特性、安全性能、燃料經濟性、環境適應性、可靠性等多項評價體系。

（2）燃料電池發動機運行特性、安全性能、燃料經濟性、環境適應性的測試方法基本有相關國家標準可以參考依據。燃料電池發動機可靠性中多項指標目前存在無標準可依據的行業空白階段，僅可依據通用標準或借鑒動力電池的相關測試標準。

參考文獻：

[1]吳詩雨，郭婷，王國卓，聶振宇，王志軍.燃料電池汽車能量管理測評研究分析[J].汽車文摘，2021（11）：59-62.

[2]郭溫文，李劍錚. 氫燃料電池發動機耐久試驗方法研究[C]//.2021中國汽車工程學會年會論文集（4）.，2021：825.

[3]郭溫文，李劍錚.氫燃料電池發動機耐久試驗方法研究[J].汽車技術，2021（09）：33-37.

[4]GB/T 24554-2009， 燃料電池發動機性能試驗方法[S].

[5]GB/T 25319-2010， 汽車用燃料電池發電系統 技術條件[S].

[6]GB/T 33979-2017， 質子交換膜燃料電池發電系統低溫特性測試方法[S].

[7] GB/T 34593-2017， 燃料電池發動機氫氣排放測試方法[S].

[8]王睿迪，呂炎，王曉兵，馬明輝，楊子榮，郝冬.質子交換膜燃料電池膜電極耐久性相關標準簡析[J].中國標準化，2022（07）：205-211.

[9]郝冬，張妍懿，朱凱，王曉兵，王仁廣，陳光.燃料電池電動汽車低溫冷起動試驗方法標準制定分析[J].中國標準化，2020（09）：190-194.

[10]郝冬，朱凱，張妍懿，王曉兵，季祥，王仁廣.燃料電池電動汽車專用空壓機技術簡析[J].汽車零部件，2019（08）：96-100.

[11]王仁廣，郝冬，王曉兵，朱凱，張妍懿.燃料電池汽車氫排放泄漏標準分析[J].汽車工程師，2018（05）：18-20.

[12]楊沄芃，趙鑫，王祥祥.GB/T 24549—2020主要內容簡析[J].客車技術與研究，2021，43（05）：57-59.

[13]文寶忠，何云堂，王紅.GB/T 24549-2009《燃料電池電動汽車安全要求》標準解讀（英文）[J].China Standardization，2012，52（02）：74-78.

[14]吳浩，隋航，王曉兵，蘭昊，楊子榮，郝冬.GB/T 26779-2021《燃料電池電動汽車加氫口》標準分析（英文）[J].China Standardization，2022（02）：60-64.

[15]刁力鵬.燃料電池標準發展現狀分析與建議[J].電器工業，2022（05）：10-14.

[16]胡杰鑫，孫耀剛，穆天楊，鄭佳明，楊玉婷.船用氫燃料動力標準研究[J].船舶標準化與質量，2021（04）：2-7+12.