燃料電池溫度沖擊試驗分析

于莎　莊昕

摘 要：質(zhì)子交換膜燃料電池是我國新能源發(fā)展的重要方向之一，燃料電池發(fā)動機作為載體，在眾多領域中已經(jīng)商業(yè)化應用。溫度沖擊和冷熱沖擊是質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機可靠性考核的重要內(nèi)容，通過受熱零件熱脹冷縮應力變化，能夠驗證發(fā)動機及其組件密封可靠性和機械可靠性等性能，為產(chǎn)品優(yōu)化改進、定型和放行提供依據(jù)。目前，燃料電池發(fā)動機溫度沖擊試驗和冷熱沖擊試驗的研究較少，本文匯總分析了標準文件中溫度沖擊和冷熱沖擊循環(huán)工況試驗相關要求，分析了試驗循環(huán)工況設計思路和試驗過程注意事項，為燃料電池發(fā)動機可靠性研究提供參考。

關鍵詞：燃料電池發(fā)動機 溫度沖擊 冷熱沖擊

Temperature and thermal shock test analysis of fuel cell engine

Yu Sha Zhuang Xin

Abstract：Proton exchange membrane fuel cell is one of the important directions of new energy development in China. As a carrier， fuel cell engine has been commercialized in many fields. Temperature shock and cold/hot shock are important contents in reliability assessment of proton exchange membrane fuel cell engine. The sealing reliability and mechanical reliability of engine and its components can be verified by the change of thermal expansion and contraction stress of heated parts， which provides basis for product optimization， improvement， finalization and release. At present， the fuel cell engine temperature impact test and hot and cold impact test study is less， this article summary analysis of the standard file temperature shock and cold and hot shock tests driving cycles related requirements， design test driving cycles are analyzed and the matters needing attention during the test， to provide the reference for the fuel cell engine reliability study.

Key words：Fuel cell engine; temperature shock; cold/hot shock

1 前言

化石能源推動了人類社會的巨大發(fā)展，但是歷史發(fā)展到今天，能源危機、環(huán)境污染及溫室效應等問題促使世界向新能源可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型。氫能作為一種清潔的二次能源，通過光伏發(fā)電、風電、水電等電解水制氫，可以將大自然中的能量以氫能的形式儲存和使用，具有可持續(xù)發(fā)展的前景[1]。

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種高效的電化學能量轉(zhuǎn)換裝置，可以將氫氣和空氣中氧氣的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，反應產(chǎn)物為水[2]，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、無有害排放物質(zhì)和易于操作等優(yōu)點，是解決全球能源問題和氣候變化的理想方案之一[1]。燃料電池發(fā)動機是氫能燃料電池的一種應用，在交通運輸、船舶、發(fā)電、工程機械、農(nóng)業(yè)機械和航天等領域均已開展商業(yè)化應用，特別是在交通運輸領域，我國制定了系列政策推動氫能和燃料電池發(fā)展，規(guī)劃2030～2035年實現(xiàn)100萬輛燃料電池汽車商業(yè)化應用的發(fā)展目標。

燃料電池發(fā)動機的指標包括性能、安全性、環(huán)境適應性、可靠性、耐久性和NVH性能等。目前，在燃料電池發(fā)動機性能指標的功率密度，安全性指標的氣密性、絕緣性能、尾氣排放，耐久性指標的壽命，NVH性能指標的振動及噪聲，環(huán)境適應性指標的低溫啟動性能和高溫散熱性能方面做的研究較多，且已發(fā)布或正在制定系列國家標準，大大推動了燃料電池發(fā)動機的商業(yè)化運營。隨著國家推動的“燃料電池示范應用”和“氫進萬家”工作的不斷推進，燃料電池發(fā)動機標準會更加完善，燃料電池發(fā)動機在新能源動力領域的競爭性會不斷提高。

在燃料電池發(fā)動機熱管理方面，目前主要以燃料電池發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱、燃料電池堆熱管理和燃料電池發(fā)動機低溫啟動等研究為主，國家標準以溫度存儲和溫度適應性等內(nèi)容為主。雖然溫度沖擊和冷熱沖擊已經(jīng)分別制定了地方標準和團體標準，但是公開的相關研究很少，許永亮等研究了車用燃料電池電堆環(huán)境適應性試驗，介紹了燃料電池電堆溫度沖擊試驗情況，文章指出目前沒有燃料電池電堆溫度沖擊標準文件指導，只能參考電工電子產(chǎn)品標準，且相關研究也非常少[3]。針對這一現(xiàn)狀，本文從標準文件中溫度沖擊和冷熱沖擊要求出發(fā)，探討溫度對燃料電池發(fā)動機的影響，并通過標準文件中試驗要求，分析試驗循環(huán)工況設計思路和試驗過程注意事項，為燃料電池發(fā)動機溫度沖擊和冷熱沖擊研究提供參考。

2 溫度對燃料電池發(fā)動機的影響

燃料電池發(fā)動機由燃料電池堆、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成，各個系統(tǒng)及其組件均需要密封并保證機械和化學可靠性，以保證燃料電池發(fā)動機可靠、穩(wěn)定運行。

燃料電池堆是燃料電池發(fā)動機的核心部件之一，工作溫度的高低從膜電極層面到電堆層面對性能及壽命均產(chǎn)生顯著影響[4]，溫度升高會造成燃料電池堆內(nèi)部溫度分布不均勻，質(zhì)子交換膜水含量減少，輸出性能和燃料電池堆部件壽命不可逆衰減[5]。因此，燃料電池發(fā)動機一般設置有最高工作溫度和最大進出口溫度差限值，防止因為高溫造成膜電極損傷，從而使燃料電池發(fā)動機性能衰減。

目前，燃料電池發(fā)動機各系統(tǒng)及其組件多為卡箍緊固，環(huán)境溫度急劇變化，會影響與環(huán)境直接接觸的燃料電池發(fā)動機部件結(jié)構(gòu)性能，如果部件結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞會影響密封性能和可靠性。如在低溫環(huán)境條件下，密封件可能因彈性降低造成介質(zhì)泄漏等。

燃料電池發(fā)動機運行溫度交替變化，受熱零件因熱脹冷縮發(fā)生應力變化，影響發(fā)動機及其組件密封可靠性和機械可靠性等，從而影響燃料電池發(fā)動機性能。如膜電極機械性能產(chǎn)生不可逆破壞，會影響燃料電池堆性能輸出，造成燃料電池發(fā)動機性能衰減。

通過溫度變化，能夠驗證燃料電池發(fā)動機產(chǎn)品設計、工藝及質(zhì)量等存在的缺陷，為產(chǎn)品改進、定型和放行提供依據(jù)。

3 溫度沖擊試驗分析

燃料電池發(fā)動機會在不同的環(huán)境溫度條件下使用，溫度沖擊試驗主要考核環(huán)境溫度對燃料電池發(fā)動機的影響，DB37/T 4098-2020《質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機安全性技術要求》中規(guī)定了燃料電池發(fā)動機溫度沖擊試驗要求。其中，依據(jù)GB/T 33978-2017《道路車輛用質(zhì)子交換膜燃料電池模塊》中存儲溫度要求，選取了燃料電池發(fā)動機溫度沖擊的低溫環(huán)境溫度為-40℃，高溫環(huán)境溫度為60℃。在考慮燃料電池發(fā)動機運行特性基礎上，試驗循環(huán)參考了GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中溫度循環(huán)。

燃料電池發(fā)動機溫度沖擊試驗循環(huán)工況的要求見表1，循環(huán)工況示意圖見圖1。

燃料電池發(fā)動機溫度沖擊試驗在燃料電池發(fā)動機環(huán)境倉進行，試驗過程中溫度實際值與目標值誤差應在±2℃以內(nèi)。

按照表1循環(huán)10次，試驗后分別進行氣密性試驗和絕緣電阻試驗，驗證燃料電池發(fā)動機性能和可靠性。

4 冷熱沖擊試驗分析

冷熱沖擊試驗主要考核冷卻液溫度對燃料電池發(fā)動機影響，T/CSAE 236-2021《質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機臺架可靠性試驗方法》中規(guī)定了燃料電池發(fā)動機啟停工況可靠性試驗，循環(huán)工況包括啟動、熱機、怠速、停機過程。試驗過程中，冷卻液溫度在常溫和最高工作溫度之間交替變化，也可稱為冷熱沖擊試驗。

燃料電池發(fā)動機冷熱沖擊試驗循環(huán)工況要求見表2，循環(huán)工況示意圖見圖2。

燃料電池發(fā)動機冷熱沖擊試驗的具體步驟如下所示：

a）按照技術要求啟動燃料電池發(fā)動機并進行熱機，待燃料電池發(fā)動機冷卻液出口溫度達到熱機要求溫度值（如無要求，按照45℃進行）后進行啟停循環(huán)工況測試；

b）按照表2依次運行各個工況：啟動燃料電池發(fā)動機后，按照供應商指定的要求加載至額定工況，額定工況下穩(wěn)定運行3min后停機，停機后在燃料電池發(fā)動機允許的范圍內(nèi)快速對燃料電池冷卻系統(tǒng)進行冷卻，冷卻至燃料電池系統(tǒng)出水溫度達到室溫。

c）至此完成一個循環(huán)，歷時6min±1min；

燃料電池冷熱沖擊試驗在燃料電池系統(tǒng)測試臺架上進行，試驗過程中溫度實際值與目標值誤差應在±2℃以內(nèi)。

燃料電池發(fā)動機冷卻液溫度控制可用冷熱沖擊專用試驗設備進行控制，也可用燃料電池系統(tǒng)測試臺架的冷卻系統(tǒng)（冷水機）進行控制。冷熱沖擊專用試驗設備配置有冷水箱和熱水箱，燃料電池發(fā)動機啟動后，切換為熱水箱，縮短熱機到額定功率運行期間冷卻液升溫時間，發(fā)動機停機后切換為冷水箱，燃料電池發(fā)動機水泵繼續(xù)運行，直至冷卻液溫度達到常溫或25℃±2℃，縮短燃料電池發(fā)動機降溫時間。冷卻液溫度控制用燃料電池系統(tǒng)測試臺架的冷卻系統(tǒng)（冷水機）進行控制時，升溫時，冷卻液溫度由燃料電池發(fā)動機自身產(chǎn)生的熱量進行溫度提升，在溫度達到要求后穩(wěn)定相應的時間；降溫時，燃料電池發(fā)動機停機后，燃料電池發(fā)動機的水泵繼續(xù)運行，冷卻液由燃料電池系統(tǒng)測試臺架的冷卻系統(tǒng)（冷水機）進行換熱降溫，從而實現(xiàn)溫度降低。

試驗時，燃料電池發(fā)動機冷卻水路小循環(huán)關閉，大循環(huán)開啟，目的是降溫過程實現(xiàn)快速降溫。在升溫過程中，由于燃料電池發(fā)動機對冷卻液進出口溫度差有限制要求，因此熱機過程需進行調(diào)試設置，否則會影響燃料電池發(fā)動機正常運行。

5 結(jié)論

本文針對燃料電池發(fā)動機溫度沖擊和冷熱沖擊研究較少的現(xiàn)狀，通過分析溫度對燃料電池發(fā)動機性能的影響，結(jié)合標準文件中對溫度沖擊和冷熱沖擊的試驗要求，探討了試驗循環(huán)工況設計思路和試驗過程注意事項，為燃料電池發(fā)動機溫度沖擊及冷熱沖擊試驗考核提供參考，為燃料電池發(fā)動機性能及可靠性提升提供助力。

參考文獻：

[1]中國氫能聯(lián)盟.中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2019版）.

[2]侯明，衣寶廉.燃料電池技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].電化學，2012，18（1）：1-13.

[3]許永亮，胡可，鄭恩亮，張繼紅，周飛鯤.車用燃料電池電堆環(huán)境適應性試驗[J].汽車實用技術，2022，4（5）：65.

[4]JU H， MENG H，WANG C Y. A single-phase， non-isothermal model for PEM fuel cells[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2005，48（7）：1303-1315.

[5]LOBATO J， CANIZARES P， RODRIGO M A， et al. PBI-based polymer electrolyte membranes fuel cells-Temperature effects on cell performance and catalyst stability[J]. Electrochimica Acta，2007，52（12）：3910-3920.