燃料电池系统测试评价技术研究

吴 迪，郭 婷

(中国汽车技术研究中心有限公司,天津 300300)

我国燃料电池产业化已进入产业初期，燃料电池系统作为燃料电池汽车的核心部件，其性能是影响整车性能的重要因素[1-3]。车企在选用燃料电池系统时需要进行系统的评价和评估。本文对燃料电池系统的测评指标进行梳理，以促进燃料电池产业的发展。

我公司搭建的燃料电池系统测评实验室，满足150 kW燃料电池系统的测试能力，其中包括电子负载、冷却系统、控制系统和氢气供应系统(实验室提供)。通过设置不同的测试工况对燃料电池系统的极化曲线、安全性等进行评价。

1 我国车用燃料电池系统测评标准

燃料电池系统的组成部件较多[4]，主要包括燃料供应、空气供应、热管理、水管理、电堆实时控制等系统。目前我国涉及其性能测评的标准体系已经覆盖一部分，其中主要标准及项目如下：

1) GB/T 24554—2009《燃料电池发动机性能试验方法》[5]主要测试燃料电池系统的基本性能和安全性能，具体包含启动、额定功率、峰值功率、动态响应、稳态特性等性能测试项目和气密性、绝缘电阻等安全项目。

2) GB/T 25319—2010《汽车用燃料电池发电系统 技术条件》[6]主要测评燃料电池系统的环境适应性，包括高低温适应性、高低温贮存、低温冷启动和耐振性等测评项目。

3) GB/T 33978—2017《道路车辆用质子交换膜燃料电池模块》[7]对燃料电池系统的电磁兼容性提出了要求，包括传导发射、辐射发射、电磁抗扰度、静电抗扰度等测试项目。

4) GB/T 31467.3—2015《电动汽车用锂离子动力电池蓄电池包和系统 第3部分：安全要求与测试方法》[8]，借用该标准，主要测评燃料电池系统的可靠性，包括防水、防尘、高原适应性等项目。由于目前我国没有相应的专门标准，所以可参照该标准执行。

5) GB/T 34593—2017《燃料电池发动机氢气排放测试方法》[9]具体测试燃料电池系统尾排中H2的浓度和H2的消耗量。

2 具体测试项目研究

2.1 性能测试

1) 启动测试。包括冷机启动和热机启动。其中冷机启动与传统意义上的冷启动不同，需要保证试验前燃料电池系统处于冷机状态。启动后需要在怠速状态下维持稳定运行10 min。

2) 额定功率测试。按照供应商的要求进行加载，至额定功率持续稳定运行60 min。

3) 峰值功率测试。加载到峰值功率点后在该功率点稳定运行10 min。

4) 动态响应。一般为保证燃料电池系统的稳定输出，采用恒流的方式进行加减载，加减载的速率由厂家确定，标准上不作过多要求。

5) 稳态特性。一般在10%～90%额定功率的功率范围内均匀选择10个工况。每个工况点至少稳定运行3 min，记录电压、电流、氢气消耗量等。

6) 紧急停机。为考察在特殊情况下燃料电池系统的工作性能，在不低于50%的额定功率点进行紧急断气，5 min后重新启动。在测试过程中仅关闭氢气的供应，并不关闭辅助系统电源的供应，所以一般燃料电池系统可进行自我信号的回馈，保证系统的正常运行。

选取国内一款典型的30 kW燃料电池系统的运行数据。分析表明，目前燃料电池系统一般都工作在低效率区域。因此，提升高效功率区是提升其性能的关键措施。燃料电池长期在重载区工作对其使用寿命影响较大[10-11]，所以需要将燃料电池尽量控制在中负荷区工作，以延长其使用寿命。另外，有效地降低辅助系统的功率能够提高燃料电池系统的效率。

基于现阶段我国燃料电池系统的技术水平，燃料电池系统的性能测试中容易出现的问题有：

1) 燃料电池系统自身通讯故障，如上位机发送的指令无法被辅助系统接收。

2) 辅助系统故障，如水泵、风扇无法正常工作。

3) 氢气侧进气压力失调，导致膜穿孔。

4) 动态响应测试中拉载速率过快导致系统保护停机。

5) 管路连接不良，导致气密性不符合要求。

6) 样品体积、质量、功率密度等数值不匹配。

7) 电堆活化不足或存放时间过长等原因，导致无法达到标称的额定功率。

2.2 安全性测试

对于燃料电池汽车，无论是整车还是系统，氢气及电安全都是重要的测试项目。其代表是燃料电池系统的气密性和绝缘电阻。

1) 气密性测试。分为内漏和外漏测试。内漏测试将燃料电池系统中充满惰性气体(一般为氦氮混合)，压力设定为50 kPa。压力稳定后，关闭系统中的H2进气阀，保持20 min。外漏测试是将燃料电池系统的排氢阀关闭、排气口封闭，将燃料电池系统和阴极流道中充满惰性气体(氦氮混合)，两侧压力都设定为正常工作压力，关闭两侧进气阀，保持20 min。记录测试中压力的下降值。

2) 绝缘电阻测试。保持燃料电池系统的冷却泵处于运转状态，系统处于热机的状态。利用绝缘耐压表，一般进行500 V的打压，分别进行阳极和阴极的绝缘电阻测试。

2.3 环境适应性测试

燃料电池系统由于本身的水热管理等原因，其环境适应性是其难以商业化的重要因素之一。考虑到其应用场景，目前将高低温适应性、高低温贮存和冷启动作为其考察的重要因素。

1) 高低温适应性。发电系统与散热器均置于45 ℃±2 ℃温度环境，在额定功率下运行 60 min；将发电系统置于-10 ℃环境中1 h，之后将环境温度升到10 ℃进行解冻。此过程重复10次，再按制造商规定的要求启动发电系统，发电系统应能按制造商的规定正常启动。

2) 高低温贮存。选取-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃、60 ℃等温度点，将燃料模块置于试验环境中静置12 h以上，然后再静置至室温12 h，重复3次，然后观察样品是否出现裂痕、扭曲变形，并进行气密性、运行和窜气试验。

3) 低温冷启动。将环境舱的温度设置到规定的温度，环境舱温度达到规定温度以后开始计时，静置12 h，启动燃料电池系统保持在额定功率下持续运行10 min，关机。重复上述1次。低温冷启动的内容正在修订到GB/T 24554中。目前根据GB/T 31035—2014[12]中的测试方法进行。其中容易出现的问题有：冷冻过程中管路出现泄漏；低温启动时，某些元器件(如电磁阀等)被冻住，导致无法正常启动；尾排管内的水因为某些原因(如尾排管出口过高)没有顺利排出，在低温环境中被冻住，阻塞管路，导致启动失败；冷启动时，所需加热时间过长。

2.4 可靠性测试

燃料电池系统也必然会对其耐振性、防水防尘、高原适应性进行考核。特别是高原适应性，由于燃料电池的燃料为气体，高原环境对其影响最为严重。

1) 发电系统耐振动性试验应符合GB/T 25319—2010中[6]规定。试验后，发电系统应能正常启动。

2) 防水防尘应按照GB/T 31467.3—2015中[8]试验方法进行检测，应符合IP55等级要求。

3) 高原适应性目前没有明确的要求，可参考GB/T 31467.3—2015中[8]7.12的要求。

在所有的可靠性测试的前后，都需要按照2.2进行安全性的复测。

2.5 经济性测试

按GB/T 34593—2017[9]中规定的循环工况和稳态工况进行测试，记录氢气流量、电流、电压等。具体如下：

1) 稳态工况。选取燃料电池系统工作范围内的11个工况点，在每个工况点稳定运行3 min。

2) 循环工况。按照标准中规定特定循环工况进行测试，不允许工况中断。

3 结束语

燃料电池系统测试评价体系包含性能、安全、可靠、环境、寿命等几个方面，应加强对其各项指标的要求，保证车用各工况下的性能。