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吳迪1,2，郭婷1,2
（1.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司）
摘要：本文闡述了燃料電池汽車系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件的技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，結(jié)合目前產(chǎn)業(yè)的需求與相關(guān)的標準規(guī)范現(xiàn)狀，研究提出了燃料電池系統(tǒng)標準發(fā)展需求，建立適應于現(xiàn)階段發(fā)展的燃料電池系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件的測評要求及測試方法的建議。
近年來，燃料電池汽車已經(jīng)成為我國發(fā)展新能源汽車的重要方向，在示范運行、補貼政策等不斷的推動下，燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)正在蓬勃的發(fā)展。國內(nèi)已經(jīng)有200家以上的企業(yè)進行燃料電池相關(guān)的研究。隨著商業(yè)化的進展，燃料電池系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件的可靠性已經(jīng)成為影響其穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素，現(xiàn)行的燃料電池系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件的測試評價標準已經(jīng)不能滿足發(fā)展的需求[1]。需繼續(xù)建立測試指標全面、測評方法準確的測試評價體系，滿足企業(yè)在生產(chǎn)制造中的需求，促進燃料電池系統(tǒng)及其關(guān)鍵零部件的發(fā)展。同時也為我國節(jié)能減排，實現(xiàn)碳中和的目標。
1.燃料電池系統(tǒng)及零部件的發(fā)展現(xiàn)狀
1.1產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
近年來，燃料電池的產(chǎn)銷不斷地上升，在燃料電池系統(tǒng)方面也不斷地實現(xiàn)國產(chǎn)化，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在2021年燃料電池汽車公告車型中，牽引車型中最高的功率可達到162kW，客車車型中最高功率可達到150kW。燃料電池在50~70kW、80~90kW、100~120kW燃料電池系統(tǒng)的配套功率配套使用的居多。目前國內(nèi)自主研發(fā)燃料電池系統(tǒng)及零部件的企業(yè)也達到上百家，國內(nèi)以億華通、雄韜、上海重塑、廣東國鴻、上海捷氫、濰柴動力、深圳氫藍時代、東方電氣、眾宇動力等企業(yè)為主導，不斷地開展系統(tǒng)等方面的開發(fā)工作。
1.2標準發(fā)展現(xiàn)狀
燃料電池相關(guān)的標準規(guī)范現(xiàn)在難以滿足快速發(fā)展的速度，日本、美國、韓國等燃料電池汽車發(fā)展快速的國家在燃料電池標準化方面較我國先進，如美國的SAE燃料電池標準化委員會是該領(lǐng)域標準化工作的牽頭單位，其工作范圍是“為燃料電池汽車制定標準和試驗規(guī)程”，并促進燃料電池汽車的市場化。該委員會通過多年的工作，已制定出10余項標準，日本的汽車研究所（JARI）/日本電動汽車協(xié)會（JEVA）負責燃料電池技術(shù)測試評價技術(shù)的研究工作。我國也一直積極地制定燃料電池相關(guān)的標準，目前車用燃料電池標準法規(guī)已經(jīng)十余項。
其中燃料電池系統(tǒng)方面，美國SAE可參考的標準如表1所示。
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國內(nèi)在2009年就開始從事燃料電池，其中燃料電池系統(tǒng)相關(guān)標準如表2所示[3-8]。
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1.3問題與挑戰(zhàn)
對于燃料電池汽車領(lǐng)域的應用，不僅僅是對燃料電池系統(tǒng)和燃料電池堆的性能進行測評，還需要從使用場景和使用工況進行開展和考慮。目前燃料電池汽車行業(yè)的應用面臨著以下挑戰(zhàn)：一是燃料電池系統(tǒng)及零部件的總體開發(fā)成本過高，應用場景涉及到低溫、高溫等，嚴重影響其性能特征。通過其全方位的使用周期來看，需要綜合考慮其安全性、可靠性、環(huán)境適應性、經(jīng)濟性等多個因素。二是需要對空壓機、氫氣循環(huán)泵、散熱器等多個關(guān)鍵部件進行考核，對其特征性能進行測試評價。三是考慮燃料電池堆的特性，特別是其耐久性、氣密性、電性能等，保證整體的使用需求。目前在產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的階段，燃料電池系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件的標準有待完善，對于電堆、空壓機、氫氣循環(huán)泵等，缺乏法規(guī)和標準的支撐。對于車用燃料電池系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件的應用來說，需要制定全方位的測評規(guī)范，才能保證產(chǎn)業(yè)鏈的完整性。
2.標準發(fā)展需求
2.1燃料電池系統(tǒng)的測試評價
燃料電池系統(tǒng)作為燃料電池汽車的重要組成部件，其性能直接影響整車的性能。那么對其測試評價也將從實車使用性能、環(huán)境適應性、安全性、可靠性、經(jīng)濟性等幾個方面展開，全面地進行測試評價。我國的標準法規(guī)也正在逐步地開展響應的規(guī)劃制定，但是由于制定的周期較長，所以在很多方面并沒有測試評價的指標進行。如圖1所示，將詳細介紹在燃料電池系統(tǒng)測試評價方面的標準要求。
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2.1.1基本性能
在燃料電池汽車進行公告認證時唯一的零部件法規(guī)要求就是GB/T 24549-2009《燃料電池發(fā)動機性能試驗方法》，其主要包括對其冷機啟動、熱機啟動、額定功率、峰值功率、動態(tài)響應、穩(wěn)態(tài)特性等進行測試方法的要求。其主要的目的是為了考核燃料電池系統(tǒng)的響應能力和電特性，通過測試得到的響應時間和極化曲線等特性，為實車的調(diào)試和匹配提供參考。
2.1.2安全性
對于燃料電池系統(tǒng)來講，安全性主要考慮的是電安全和氫安全[9]。在測試或運行過程中危險源包括管路中的氫氣以及運行中產(chǎn)生的高電壓，所以必須的安全性測試是氣密性試驗和絕緣性試驗[10]，已充分保證在燃料電池系統(tǒng)運行過程中的安全性。
2.1.3環(huán)境適應性
環(huán)境適應性主要包括高低溫適應性、高低溫儲存以及低溫冷啟動等測試項目，其中高低溫適應性主要考察燃料電池系統(tǒng)在高溫和低溫環(huán)境下的適應能力，能夠承受冷熱的交變，參考GB/T 25319-2010中的測試要求；高低溫貯存主要考察的是零部件在高低溫環(huán)境下的適應能力，參考GB/T 33978-2017中的測試要求；低溫冷啟動[11]作為考察燃料電池系統(tǒng)最重要的指標，目前已經(jīng)明確地修訂在GB/T 24554中，后續(xù)作為強制性考察的最重要的一項。
2.1.4經(jīng)濟性
燃料電池的效率理論上是40%～60%左右，由于輔助系統(tǒng)的耗電造成市面上的燃料電池系統(tǒng)的效率大概在20%～40%。GB/T 34593-2017[4]《燃料電池發(fā)動機氫氣排放測試方法》中開展關(guān)于在循環(huán)工況和穩(wěn)態(tài)工況進行，通過對在不同功率狀態(tài)下的氫氣消耗量的對比，開展經(jīng)濟性的分析。
2.1.5可靠性
可靠性主要是指對在實際運行工況下的能力進行考核[12]，包括耐振性、防水防塵、高原適應性等。燃料電池系統(tǒng)的應用工況和動力電池的應用工況相同，所以現(xiàn)階段測評方法的參考也大多是參考動力電池的可靠性測評方法。
2.2燃料電池堆測試評價
燃料電池堆作為燃料電池系統(tǒng)的核心部件，其高的功率密度以及大功率等是企業(yè)追蹤的目標。燃料電池堆的性能主要體現(xiàn)在本身的基本技術(shù)參數(shù)，如體積、質(zhì)量、單片電池的面積、節(jié)數(shù)、操作壓力、空氣利用率、濕度、正常工作溫度、最大氫氣流量等。對于其他的性能如氣密性、絕緣性、電化學性能、環(huán)境適應性、耐久性等都是直接影響整車的可靠性和安全性的重要依據(jù)。
2.2.1氣密性
燃料電池堆的本身結(jié)構(gòu)造成其主要有六個腔體，包括氫氣進口流道、氫氣出口流道、空氣進口流道、空氣出口流道、冷卻水進水流道、冷卻水出水流道。所以各流道之間不相互竄氣才能保證氫氣和空氣的正常反應，否則容易出現(xiàn)反極電壓造成電堆損壞。所以在標準中對電堆的氣密性的要求較多，比如說整體的密封性、氫外漏、陰陽極內(nèi)腔竄氣、陰陽極腔向冷卻水腔竄氣量四種氣密性測量。對于不同燃料電池堆的類型其氣密性有較大的差距，一般復合雙極板燃料電池堆的氣密性較高。
2.2.2性能測試
燃料電池堆的性能是重要的指標之一，也是燃料電池應用于汽車領(lǐng)域的重要指標。燃料電池堆的性能與燃料電池發(fā)動機的性能類似，基本包括極化曲線，峰值功率、額定功率等典型的電參數(shù)。另外如質(zhì)量比功率、體積比功率、反應氣利用率、燃料電池堆的效率、單電池的一致性也是評價燃料電池堆的重要參數(shù)。對于不同水平的這些重要的指標參數(shù)會不盡相同。
2.2.3環(huán)境適應性
環(huán)境適應性主要考察的是燃料電池堆在低溫環(huán)境下的響應能力，包括啟動時間，以及在低溫環(huán)境下的性能表現(xiàn)。目前燃料電池堆的高低溫儲存是強制性檢測的重要一項，主要考察的是靜止在高溫環(huán)境（+60℃）和低溫環(huán)境（-40℃）前后燃料電池堆的性能變化，能夠承受住在實際使用環(huán)境中工況。
2.2.4耐久性
燃料電池堆的耐久性[13]是各國研究開發(fā)的重點，也是影響燃料電池汽車商業(yè)化的重要因素。車用工況如停機、怠速、急加速、急減速等工況對燃料電池進行臺架測試，目前是滿足5000h的商業(yè)化使用需求的要求，考慮到測試工況以及壽命衰減的復雜性，標準GB/T 38914-2020中推薦了測試車用質(zhì)子交換膜燃料電池堆壽命的測試方法。
2.3關(guān)鍵零部件測試評價
燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件承載的系統(tǒng)效率和性能的關(guān)鍵，其中空氣壓縮機[14]作為空氣供應系統(tǒng)的核心部件主要用來提供足夠的反應空氣，氫氣循環(huán)泵/氫噴作為氫氣供應系統(tǒng)的核心部件主要用來進行氫氣的循環(huán)利用，加濕器的主要作用是為反應的氫氣和空氣進行加濕保證燃料電池內(nèi)部的反應舒適性，去離子器的主要作用是保證冷卻水中的離子含量等。這幾種核心的零部件的作用重大，如何在系統(tǒng)進行選型和匹配時選擇合適的零部件，也需要對其進行性能的詳細評價。目前這幾種零部件并沒有單獨的國家標準進行參考，但是許多企業(yè)已經(jīng)對其進行測試評價方法的評價，具體總結(jié)如下。
2.3.1空氣壓縮機
對于不同工作原理的空壓機的要求基本相同，需要無油、高效、低噪音、小型化等。燃料電池堆功率的逐漸上升，要求空氣的流量也越來越大，也要保證相應的足夠大的轉(zhuǎn)速，所以，流量和轉(zhuǎn)速是評價空氣壓縮機的關(guān)鍵指標。其次，由于燃料電池系統(tǒng)的效率和體積比功率的要求，對空壓機的能耗要求較高，低能耗的空氣壓縮機有利于提高燃料電池系統(tǒng)的效率。
2.3.2氫氣循環(huán)泵
該裝置可以將未完全反應的氫氣重新輸送到陽極進行反應，對于提高燃料電池系統(tǒng)的效率有著重要的作用。由于氫氣在整個運行中容易泄露、需要承載大功率電堆所需流量等原因，對于氫氣循環(huán)泵的流量、密封性、耐水性以及壓力的穩(wěn)定輸出等，相比傳統(tǒng)的氣體循環(huán)泵要高很多。
2.3.3增濕器
燃料電池堆在反應過程中需要一定濕度的氫氣和空氣以保證內(nèi)部的反應效率。增濕器就能夠很好的控制氣體的濕度，是燃料電池系統(tǒng)的不可或缺的關(guān)鍵部件。對于加濕器的選型要考慮露點、流阻、效率、耐溫度和耐壓力的情況，并保證一定的壽命的使用。
2.3.4去離子器
在燃料電池堆反應過程中需要保證水循環(huán)系統(tǒng)中的電導率維持在一定的濃度以下。由于在反應過程中會釋放一定量的離子同時各種零部件在運轉(zhuǎn)過程中也會析出離子導致離子濃度會一直上升，需要專業(yè)的去離子器維持一定的電導率。所以對去離子器的最主要的要求就是離子的交換速率，這也是評價燃料電池用的去離子器最重要的指標。
3.結(jié)語
本文通過分析車用燃料電池系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件的應用場景和使用需求，搭建了測試評價的體系，并針對不同部件和系統(tǒng)的要求，分析其測試評價指標體系。提出了對不同關(guān)鍵零部件的測試評價的指標和要求，為企業(yè)進行優(yōu)化選型提供有力的支撐，推動我國燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
