典型30 kW级质子交换膜燃料电池发动机性能测评对比研究

裴 冯 来



典型30 kW级质子交换膜燃料电池发动机性能测评对比研究

裴 冯 来1,2,3

（1上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805；2国家机动车产品质量监督检验中心（上海），上海 201805；3国家新能源机动车产品质量监督检验中心，上海 201805）

本文基于国家级第三方汽车检测机构丰富的燃料电池整车、系统及核心零部件检测数据库，选取典型样品，进行了典型30 kW级国际主流企业商业化燃料电池发动机、国际技术背景合资企业商业化发动机和国内主流企业商业化发动机的性能对比分析及综合评价研究。研究包括极化曲线对比、电堆功率输出和效率对比、发动机功率输出和效率对比、辅助系统功率和功率因子对比、氢耗率和氢流量对比等系列研究。研究结果为相关技术发展和产业化提供了必要的借鉴。

质子交换膜燃料电池；发动机性能；测评；对比研究

在世界范围内，氢能燃料电池汽车整体正处于商业化初期。从燃料电池汽车核心技术及成本因素考虑：国际氢能燃料电池汽车商业化阵营可分为3个梯队：第一梯队，丰田（Mirai）、本田（Clarity）和现代（Nexo）等为代表的已推出商业化车型的整车厂（其电堆核心部件水平、电堆功率级别/比功率/氢耗、辅助系统核心零部件、整车动力系统动力性/经济性等指标均遥遥领先[1]）；第二梯队以日产、通用、福特、奔驰、上汽为代表的即将实现商业化的整车厂，和以Ballard、Plugpower等先进系统/电堆供应商联合相关国内外整车厂形成的联合体；第三梯队，国内本土系统/电堆供应商和正在开发相关车型的整车厂，国外其它系统/电堆供应商和整车厂[2]。

从2016年下半年开始局势有所变化，中国企业正努力从第二梯队和第三梯队后半段向前追赶。随着国内30～50 kW级质子交换膜燃料电池电堆/系统制造水平的进步、国家燃料电池汽车财政补贴政策倾向以及商用车应用的需要，搭载30 kW级质子交换膜燃料电池发动机或增程器的氢燃料电池汽车市场发展迅猛，已成为发展主流，并有可能重新定义30 kW系统在世界燃料电池汽车商业化应用中的地位。

由于燃料电池汽车正处于商业化初期，国际先进技术封锁及国内商业化样本偏少，相关商业化燃料电池发动机性能、标准法规的分析及对比研究不多。翟双[3]通过对比国内外燃料电池系统及核心零部件提出了国产化车用燃料电池动力系统的研发方向，但其基于某企业的研究信息受限；文醉等[4]基于中国汽车研究中心对于燃料电池发动机的检测实践提出了标准的升级方案，但未对具体性能做出研究；李荣荣[5]、姬俊昌[6]分别对燃料电池电堆、燃料电池汽车的技术成熟度及评价方法做了研究，为本文商业化分析提供了借鉴。

本文基于国家标准及委托研发测试数据库，选取并对比分析了进入中国市场的国际主流制造商商业化系统（由于日系车等商业化产品暂未进入中国并测试，不列入研究）、国际技术背景合资企业商业化系统和国内主流制造商商业化系统。通过对其极化特性曲线、效率、功率/功率因子、氢耗等的对比研究，说明了国内30 kW级燃料电池发动机的发展现状；基于AHP（层次分析法）综合评价方法[7]，进行了不同系统的综合评分对比，指出国内30 kW级燃料电池发动机技术薄弱之处，为以后燃料电池企业发展提供借鉴。

1 研究方法

目前，燃料电池相关国家标准已发布60余项。其中，涉及到氢能燃料电池汽车市场准入和补贴政策的新能源专项测试项目9项。与本文研究有关的新能源专项测试项目如表1所示，列出了新能源专项测试所采用的标准，由此可以确定现阶段中国市场内氢燃料电池测试技术和政策扶持的关注点。

表1 氢能燃料电池相关的新能源专项测试条目

以新能源专项标准为导向，基于国家机动车产品质量监督检测中心（上海）针对新能源专项测试和委托研发测试的数据库（该中心目前在氢燃料电池相关的公告和委托类测试占比50%以上），对进入商业化以来不同类型的测试需求进行统计，如图1(a)所示，列举了主要的公告和委托研发测试需求：包括燃料电池发动机性能/可靠性/耐久性、车载氢系统、核心零部件性能及耐久性、系统/零部件环境适应性、EMC等，燃料电池发动机性能测试占比51%，说明其重要程度；另对不同功率级别系统的测试需求进行统计，如图1(b)所示，新补贴政策[14]推出后30 kW级燃料电池发动机性能测试占比61%，也确定了本文现阶段对测试样本功率级别的选择。

图1 商业测试需求及燃料电池发动机性能功率级别统计

此外，基于燃料电池汽车技术成熟度（TRL，technology readiness level）的9级评价模型分析[5-6]，目前燃料电池堆内部主要部件：质子交换膜、催化剂处在TRL6级（工程样品模拟环境验证）；电极材料处在TRL7级（工程样品实际环境验证）；气体扩散层处在TRL8级（通过测评的实际产品）[5-6]。基于检测中心数据库，国内燃料电池发动机、氢系统、辅助系统核心零部件（空压机、泵等），基本处于TRL3-TRL4级（试验样机和试验室环境下的基本性能验证）。由于电堆内部关键部件的核心技术被少数国外企业把持且已经相对成熟，很难获取也不容易分析，因此本文不做研究；本文主要以市场化背景下技术成熟度较低的燃料电池发动机作为研究对象。

研究基于国家推荐标准GB/T 24554—2009的典型试验数据库和综合分析处理软件，进行了3个典型试验样本的对比分析。首先，在燃料电池发动机测试台架上对燃料电池发动机进行冷/热启动试验、额定功率试验、峰值功率试验、动态响应试验、稳态响应试验、紧急/断气停车及再启动试验、气密性、绝缘电阻测试以及质量测试等方面的测试，并形成标准测试变量及结果数据库；基于构建的数据库，选取典型试验样本，构造典型特性曲线进行对比分析（极化特性曲线、输出功率曲线及燃料电池效率曲线等）。

在此基础上利用AHP层次分析法进行综合评定打分。该方法的原理是以测试平台得到的数据为基础，构造多层（目标层、准则层、指标层）的指标和评分函数；首先得到燃料电池发动机指标层各指标的评分，进而根据指标层各指标的权重，得到上一层准则层指标的综合得分，最终根据准则层各指标的权重，得到上一层目标层指标的综合评分[7]。

2 结果与讨论

首先通过在一定温度与气体压力下，改变负载电阻的大小，测量燃料电池输出电压与输出电流之间的关系得到燃料电池电堆极化特性曲线，如图2所示。

图2 极化特性曲线对比

根据燃料电池理论，若燃料电池化学能与电能转化率为100%，则极化特性曲线理想电动势应为1.48 V。然而实际情况是这并不可能发生，例如总有一部分能量将转化成热能或内部短电流消耗掉，由图2可知，所有燃料电池开路电压均处于0.8～1 V之间，国际主流品牌电堆的开路电压较高，在温度等条件相似的前提下，说明其催化剂拥有更高的活性，但相比之下极化特性表现略差；国内主流品牌电堆在中低电流密度下极化特性表现最好；国际背景合资公司产品的电压随电流密度下降最慢，呈现了较好的-特性；综上，说明国内30 kW级电堆的极化特性与国外进入中国市场的同类产品已处于同一水平，甚至更好。

图3 燃料电池电堆功率/效率-电流曲线对比

对比3种电堆的功率输出和效率，如图3所示，效率公式见式(1)，发现随着电流的增大3种电堆功率均呈现上升趋势。国内主流制造商电堆在同等电流下拥有最高的功率输出及效率，超过了国际主流制造商产品，说明进入中国市场的30 kW级电堆国内外已无功率动态输出能力和效率上的差距。同等电流下，国际背景合资企业电堆的功率输出和效率处于劣势，说明国际技术和国内制造工艺的融合还有待提高。对于实际电堆效率（一般50%～80%之间），随着电流增大，各种不可逆电压损失增大并占据主导因素，使得3种电堆效率总体呈下降趋势，电池温度的升高和阴阳极高气压会填补部分效率损失，另外实际效率还需考虑氢气利用率（实际氢气流量/理论氢气流量）的影响；由结果可知，国际背景合资企业电堆相较于其它两家效率表现较为平稳，说明其电池管理水平、催化剂和膜的稳定度 较好。

进一步地，本文对比了3种发动机的功率输出和效率，如图4所示，效率公式见式(2)。随着电流的增大，3种燃料电池发动机的功率总体均呈上升趋势。在同等电流下，国内主流制造商功率高于其它两种，国际主流品牌产品高电流区域上升趋势减缓，应为受辅助系统功率大幅上升影响。燃料电池发动机的效率需要同时考虑电堆的效率和辅助系统的影响，辅助系统的功率和功率因子随电流变化如图5所示，功率因子公式如式(3)所示，国际和国内主流品牌发动机辅助系统功率和功率因子在中等电流以后有大幅上升，导致其发动机效率在中等电流后有大幅下降，并开始低于国际背景合资企业产品，说明其辅助系统核心部件（空压机、氢循环泵等）选型不理想，需要进一步优化；国际背景合资企业发动机效率和辅助系统功率/功率因子均较平稳，其辅助系统功率因子是3种产品中唯一随电流增加而降低的，说明其辅助系统配置较优。

图4 燃料电池发动机功率/效率-电流曲线对比

式中，RPF为功率因子，PA为辅助系统功率，PS为电堆功率。

另外，燃料电池电堆/系统氢耗率如式(4)和式(5)所示

（5）

式中，hcs为燃料电池电堆氢耗率，hcE为燃料电池发动机氢耗率，m为氢气流量，S为电堆功率，E为系统功率。

通过对比燃料电池电堆/系统氢耗率及氢流量随电流变化曲线，如图6所示，发现国际和国内主流品牌电堆整体氢耗率水平较低（国内主流电堆氢耗率最低），较为节能，但电堆耗氢率随电流增加而显著增大；国际背景合资企业的电堆氢耗率较高，但平稳维持在55～60 g/kW·h的水平，说明其氢耗对于电堆动态拉载适应性较好。国际主流品牌系统耗氢率随电流增大而显著增加，在氢流量与其它系统相近的情况下，应该是系统功率输出显著下降导致的，国内主流品牌系统也存在相似问题；国际背景合资企业的系统氢耗率平稳维持在60～65 g/kW·h的水平，说明其系统氢耗的动态稳定性较好。

在此基础上，利用AHP层次分析法进行综合性能评定打分。本文设置燃料电池发动机综合性能为目标层。目标层分为稳态性能、起动性能、动态性能和安全性能4个准则层指标。准则层又分为发动机额定功率、额定工况/常用工况效率、额定功率密度、噪声、额定功率启动时间、怠速冷/热启动时间、动态响应时间、绝缘性、气密性，电堆最大功率密度、最大氢气利用率等指标层指标，并根据试验经验和专家意见设置准则层和指标层的权重。得到的国际主流制造商、国际背景合资企业和国内主流综合性能评分如图7所示，国际主流制造商产品依然获得了最高的评分，主要原因在于其高功率密度（权重值较高）、优异的额定功率拉载性能（权重值较高）、良好的动态性能和较好的气密性，这也是国内同类产品的软肋。国内主流制造商在启动性能上表现最好，但由于其在动态响应能力和气密性上得分过低，导致加权后的综合性能得分最低。

图7 燃料电池发动机综合性能评分

3 结 论

本文基于国家级检测中心的公告及委托试验数据库，选取典型30kW级系统试验样本，进行了电堆极化特性曲线、功率/效率-电流曲线，燃料电池发动机系统功率/效率-电流曲线、辅助系统功率/功率因子-电流曲线，燃料电池电堆氢耗率/系统氢耗率/氢流量-电流曲线的对比分析，并最终根据AHP层次分析法进行了燃料电池发动机的综合性能评价，结论如下：

（1）通过对比极化特性曲线、功率和效率，得出国内30 kW级电堆和系统的电性能与国外进入中国市场的同类商业化产品已处于同一水平，甚至更好；

（2）由于氢能燃料电池汽车商业化处于初级阶段，国际和国内主流企业均存在其辅助系统核心部件（空压机、氢循环泵等）选型不理想的问题，影响了整体的系统输出，需要进一步优化；国际背景合资企业通过吸收国内外技术，获得了更好的系统配置和稳定性，但其功率、效率整体水平偏低，氢耗水平偏高的劣势仍有待完善；

（3）综合评价上，国际主流制造商产品依然获得了最高评分，主要原因在于其高功率密度（权重值较高）、优异的额定功率拉载性能（权重值较高）、良好的动态性能和较好的气密性，这也是国内同类产品的软肋；通过多种试验经验，发现国内系统在技术成熟度上基本处在TRL3-TRL4级试验样机阶段，如果加上环境适应性（耐温、耐湿、盐雾、IP防护等）、可靠性、EMC等对比指标，将会更加落后于处在TRL8-TRL9级的成熟的国际主流商业化产品。

综上，国内企业在完成技术积累和政策利好的前提下，30 kW级燃料电池商业化系统已经具备了整车应用的良好基础，随着国内氢燃料电池商业化迅猛发展及合资引进技术，也逐步缩小了与国外先进水平的差距，并有望依托国内市场优势重新定义国际燃料电池汽车市场格局。

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[14] 中华人民共和国财政部. 关于调整新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知: 财建[2016]958号. 北京: 中华人民共和国财政部, 2016.

Ministry of Finance of the People s Republic of China. Notification on policy changes of fiscal subsidy for NEVs popularization and application: Finance construction [2016] No.958. Beijing: Ministry of Finance of the People s Republic of China, 2016.

A comparative study on typical 30kW PEMFC engine performances evaluation

PEI Fenglai1, 2, 3

(1Shanghai Motor Vehicle Inspection Certification & Tech Innovation Center Co. Ltd., Shanghai 201805, China;2National Center of Supervision and Inspection on Motor Vehicle Products Quality (Shanghai), Shanghai 201805, China;3National Center of Supervision and Inspection on New Energy Motor Vehicle Products Quality, Shanghai 201805, China)

Based on the abundant database of nationalthird-party vehicle detection institutioncovering entire vehicle, system and core components, the paper comparatively studied the performances and give a comprehensive evaluation of typical 30 kW PEMFC commercial systems from international mainstream manufacturer, joint venture with internationaltechnical background and domestic mainstream manufacturer. A series of comparative studies were carried out, which includes-curve, FCS power and efficiency, FCE power and efficiency, BOP power and power factor, hydrogen consumption rate and flux. The results provide the necessary reference for related technology development and industrialization.

PEMFC; engine performance; evaluation; comparative study

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0046

TM 911

A

2095-4239（2018）03-0519-05

2018-03-27；

2018-04-12。

上海科委科研计划项目（16DZ1120102）。

裴冯来（1983—），男，博士，主要从事新型车辆动力系统、氢燃料电池系统测评及故障诊断方法、数字信号处理、传感器与电子仪器、BMS测试评价等方面的研究，E-mail：fenglaip@smvic.com.cn。