燃料电池发动机测试评价体系

孙田 陈光 杨沄芃 王祥祥 谢振兵

摘 要：燃料电池示范应用政策的开展，对于推动氢燃料电池汽车的快速发展、提升燃料电池行业信息具有积极意义。燃料电池发动机作为燃料电池汽车的动力核心，直接影响燃料电池汽车的输出性能，因此对于燃料电池发动机的测试至为重要，本文对目前行业内对于燃料电池发动机的测试方法和评价体系进行汇总及介绍，供燃料电池行业参考。

关键词：燃料电池发动机 测试指标 评价方法

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

燃料電池发动机是由电堆、空气供给系统、氢气供给系统、水热管理系统、控制器等部分组成的系统，各子系统协调工作为电堆提供合适的水、电、气条件，国产某型号燃料电池发动机如图1所示。

燃料电池发动机的输出受多因素影响，因此为燃料电池发动机建立一套完整的测试评价方法非常重要，合理完善的测试评价体系有利于企业在测试过程中发现燃料电池发动机的输出特性，为提高燃料电池发动机产品综合质量提供有力保障。

国内外专家学者基于现有的燃料电池产品开展了测评相关研究。吴诗雨等[1]基于整车燃料经济性对燃料电池汽车能量管理策略进行相关测评研究。郭温文等[2-3]通过对比行业内燃料电池发动机测评方法，结合实车需求提出一种燃料电池发动机耐久测试工况，并进行了相关试验研究。现有标准中，对于燃料电池发动机性能、发电系统技术条件及部件性能提供了部分测试方法要求[4-7]，行业内也有专家对相关标准进行了解读及分析[8-16]。本文对行业内较为关注的燃料电池发动机指标进行总结，并简单介绍已有的相关测试方法。

2 燃料电池发动机测试评价

2.1 运行特性

燃料电池常规运行中，较为值得关注的指标即为额定功率。现阶段额定功率的测试方法主要是依据强检标准GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能试验方法》第7.4条，以燃料电池发动机在额定功率点运行60 min，记录该60 min的燃料电池发动机输出功率曲线并记录平均值。在工信部装备中心装备中心[2021]367号《燃料电池汽车测试规范》第2条中，更是规定了60 min内额定功率平均值应大于额定功率申报值，同时波动范围应在平均值的3%范围内。这个标准较中机函2号文《动力电池、燃料电池相关技术指标测试方法》第3条中所规定的60 min内额定功率平均值应大于额定功率申报值、波动范围应在平均值的5%范围内要求更为严苛。

峰值功率的测试一般以强检标准GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能试验方法》第7.5条为依据，受产品质量差异，因此标准未不限制峰值功率点的拉载时间，峰值功率的运行时间由厂家自行决定。

同时，功率密度为衡量燃料电池发动机的重要指标之一，但由于燃料电池发动机不规则性较大，在体积测量方面未有明确的测试方法，因此在额定功率的基础上，《燃料电池汽车测试规范》提出了燃料电池发动机质量功率密度的测试方法，来覆盖功率密度这一测试空白。

动态响应特性、稳态特性两项指标一般均采用GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能试验方法》中第7.6、7.7条规定，动态响应特性推荐以10%Pe和90%Pe分别为加载和减载的起点终点，衡量燃料电池发动机的响应速度。稳态特性则至少运行十个点，每个点运行时间不少于3 min，记录电堆电压电流和辅助系统电压电流。

燃料电池发动机运行过程中，由于空压机、氢泵、水泵等处于高速运行状态，尤其是空压转速达到每分钟上万转，会产生大量的噪音。而现阶段，燃料电池发动机NVH测试处在无国标依据的空白区段，因此NVH的测试方法均是各家企业依据自身情况进行测试，在行业内未形成公认的NVH测试方法和测试依据。

2.2 安全性能

燃料电池发动机本身是一个气、电、水耦合的复杂精密系统，因此衡量燃料电池发动机安全性能一般以气密性和绝缘电阻为考量指标。

气密性一般以GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能试验方法》第7.9条为参考进行氢单腔保压和氢空两腔保压，除此之外也有部分厂家根据GB/T 20042.2-2008《质子交换膜燃料电池 电池堆通用技术条件》第5.6条为参考进行氢腔、空腔和水腔的窜气试验。

绝缘电阻测试一般依据GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能试验方法》进行测试，使用绝缘电阻测试仪分别测试正对地、负对地的绝缘电阻数值，同时燃料电池发动机绝缘电阻测试也应满足GB 18384-2020《电动汽车安全要求》中对燃料电池电动汽车的要求。

2.3 燃料经济性

燃料经济性作为衡量能量利用率的重要指标，为保证燃料电池发动机的良好输出特性，氢气供给采用过量供应的方式，虽然有氢气循环泵等氢气循环方案，但是无法保证氢气100%的利用，因此，在氢气尾排中会排出一部分未参与电化学反应的氢气。

目前为衡量燃料电池发动机氢气排放状况，GB/T 34593-2017《燃料电池发动机氢气排放测试方法》中详细规定了关于稳态工况和循环工况下氢排放的测试方法，根据电堆理论氢耗和实际氢耗计算氢气排放量和氢气排放率。同时也有部分厂家根据GB/T 37154-2018《燃料电池电动汽车 整车氢气排放测试方法》第6.1条测试方法对怠速工况下的氢气尾排浓度进行检测。

除氢气排放量、氢气排放率外，也可采用电堆效率和燃料电池发动机效率评价燃料电池发动机经济性能，电堆效率和燃料电池发动机效率的测试及计算均采用GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能试验方法》第8条中的计算方法，即电堆效率为：

其中：ηs为电堆效率；

Ps为电堆功率，单位为kW；

mH2为氢气流量，单位为g/s；

LVHH2为氢气低热值，1.2×105kJ/kg。

燃料电池发动机效率为：

其中：ηF为燃料电池发动机效率；

PF为燃料电池发动机功率，单位为kW。

2.4 环境适应性

燃料电池发动机环境适应性主要是指三高环境适应性，即高温、高寒、高海拔三种极端环境下燃料电池发动机的运行能力。三高环境会影响燃料电池发动机的进气流量、进气温度以及水热管理，因此对燃料电池发动机进行三高测试是体现燃料电池发动机产品技术成熟的必要流程，不可或缺。目前对于燃料电池三高环境试验的标准主要是针对温度适应性，由于目前燃料电池汽車并未大规模投入使用，尤其是没有在高海拔地区等极端环境下，因此目前燃料电池发动机厂家对于高原环境性试验的需求较少，仅有部分厂家根据整车厂要求进行研发摸底测试，而且高原环境性试验目前没有法规标准可依据，处于行业空白。

高温适应性试验目前主要是依据GB/T 25319-2010《汽车用燃料电池发电系统 技术条件》5.5.1中规定，在45℃±2℃环境下以额定功率运行1小时，主要考察燃料电池发动机的主辅散系统在高温环境下的散热能力能否满足燃料电池发动机正常工作的基本需求。

由于在低温环境下尤其是0℃以下，电堆内部水传输和电堆结构会受到一定影响，因此燃料电池发动机的低温适应性试验受到行业的广泛重视。现阶段GB/T 25319-2010《汽车用燃料电池发电系统 技术条件》5.5.2、GB/T 33979-2017《质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法》第8条、工信部装备中心装备中心[2021]367号《燃料电池汽车测试规范》第5条中分别提出了三种低温适应性测试方法。GB/T 25319-2010《汽车用燃料电池发电系统 技术条件》规定将燃料电池发动机在-10℃中静置1h后放置10℃解冻，重复10次后检查燃料电池发动机能否正常启动，可以看出该测试方法中并无低温运行要求，只是检测低温环境下的耐受能力。GB/T 33979-2017《质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法》第8条则明确提出，在-30℃环境下静置12 h，然后启动，启动成功后继续-30℃浸机12 h，再次启动。工信部装备中心装备中心[2021]367号《燃料电池汽车测试规范》第5条中仍然采用-30℃环境下静置12 h然后启动的测试方法，但是要求只有冻一次启一次，而且明确了可以进行低温吹扫。整体来说，低温冷启动目前还是行业急需要解决的卡脖子难题，目前很多燃料电池企业对于解决-30℃环境下的快速启动还处在攻关阶段。燃料电池发动机低温冷启动试验见图2。

除高低温适应性试验外，还有部分标准规定了温度存储的测试方法，主要是高低温存储后测试气密、运行性能等评价燃料电池发动机能力，但该测试方法目前逐渐已被弃用，主流还是在高低温环境下的运行测试为主。

2.5 可靠性

衡量燃料电池发动机可靠性的测试有振动、防水防尘、盐雾、电磁兼容、耐久寿命等。目前振动、盐雾、防水防尘测试没有单独针对燃料电池发动机的测试标准及依据，振动一般是参考动力电池标准GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》或GB/Z18333.1-2001《电动道路车辆用锂离子蓄电池》进行测试，燃料电池发动机振动测试见图3。

盐雾则是根据GB/T 2423.17-2008《电工电子产品环境试验+第2部分：试验方法+试验Ka：盐雾》中第6条进行测试，防水防尘试验则是根据防水防尘通用标准GB/T 4208-2017 外壳防护等级（IP代码）进行检验。

由于燃料电池发动机工作配套的大功率DC-DC、空压机、氢泵、FCU控制器等工作会对燃料电池发动机产生一定的电磁干扰，虽然燃料电池发动机电磁兼容性能测试目前没有相关国标，但是中国汽车工程学会发布的团标T/CSAE 149-2020《燃料电池发动机电磁兼容性能试验方法》规定了燃料电池发动机的电磁兼容测试方法。燃料电池发动机电磁兼容试验见图4。

现阶段，燃料电池发动机耐久寿命现阶段也没有统一标准，各家的燃料电池发动机耐久工况各有差异，基本为各燃料电池发动机企业根据整车载荷谱分析得出，耐久寿命测试受工况、BOP等多种因素限制，因此目前行业内急需有一个统一标准对相关测试方法、测试条件进行明确规定。

3 结语

（1）燃料电池发动机为气、水、电耦合复杂系统，其工作状态受多重因素印象。目前评价燃料电池发动机的指标有运行特性、安全性能、燃料经济性、环境适应性、可靠性等多项评价体系。

（2）燃料电池发动机运行特性、安全性能、燃料经济性、环境适应性的测试方法基本有相关国家标准可以参考依据。燃料电池发动机可靠性中多项指标目前存在无标准可依据的行业空白阶段，仅可依据通用标准或借鉴动力电池的相关测试标准。

参考文献：

[1]吴诗雨，郭婷，王国卓，聂振宇，王志军.燃料电池汽车能量管理测评研究分析[J].汽车文摘，2021（11）：59-62.

[2]郭温文，李剑铮. 氢燃料电池发动机耐久试验方法研究[C]//.2021中国汽车工程学会年会论文集（4）.，2021：825.

[3]郭温文，李剑铮.氢燃料电池发动机耐久试验方法研究[J].汽车技术，2021（09）：33-37.

[4]GB/T 24554-2009， 燃料电池发动机性能试验方法[S].

[5]GB/T 25319-2010， 汽车用燃料电池发电系统 技术条件[S].

[6]GB/T 33979-2017， 质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法[S].

[7] GB/T 34593-2017， 燃料電池发动机氢气排放测试方法[S].

[8]王睿迪，吕炎，王晓兵，马明辉，杨子荣，郝冬.质子交换膜燃料电池膜电极耐久性相关标准简析[J].中国标准化，2022（07）：205-211.

[9]郝冬，张妍懿，朱凯，王晓兵，王仁广，陈光.燃料电池电动汽车低温冷起动试验方法标准制定分析[J].中国标准化，2020（09）：190-194.

[10]郝冬，朱凯，张妍懿，王晓兵，季祥，王仁广.燃料电池电动汽车专用空压机技术简析[J].汽车零部件，2019（08）：96-100.

[11]王仁广，郝冬，王晓兵，朱凯，张妍懿.燃料电池汽车氢排放泄漏标准分析[J].汽车工程师，2018（05）：18-20.

[12]杨沄芃，赵鑫，王祥祥.GB/T 24549—2020主要内容简析[J].客车技术与研究，2021，43（05）：57-59.

[13]文宝忠，何云堂，王红.GB/T 24549-2009《燃料电池电动汽车安全要求》标准解读（英文）[J].China Standardization，2012，52（02）：74-78.

[14]吴浩，隋航，王晓兵，兰昊，杨子荣，郝冬.GB/T 26779-2021《燃料电池电动汽车加氢口》标准分析（英文）[J].China Standardization，2022（02）：60-64.

[15]刁力鹏.燃料电池标准发展现状分析与建议[J].电器工业，2022（05）：10-14.

[16]胡杰鑫，孙耀刚，穆天杨，郑佳明，杨玉婷.船用氢燃料动力标准研究[J].船舶标准化与质量，2021（04）：2-7+12.