燃料电池温度冲击试验分析

于莎　庄昕

摘 要：质子交换膜燃料电池是我国新能源发展的重要方向之一，燃料电池发动机作为载体，在众多领域中已经商业化应用。温度冲击和冷热冲击是质子交换膜燃料电池发动机可靠性考核的重要内容，通过受热零件热胀冷缩应力变化，能够验证发动机及其组件密封可靠性和机械可靠性等性能，为产品优化改进、定型和放行提供依据。目前，燃料电池发动机温度冲击试验和冷热冲击试验的研究较少，本文汇总分析了标准文件中温度冲击和冷热冲击循环工况试验相关要求，分析了试验循环工况设计思路和试验过程注意事项，为燃料电池发动机可靠性研究提供参考。

关键词：燃料电池发动机 温度冲击 冷热冲击

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

化石能源推動了人类社会的巨大发展，但是历史发展到今天，能源危机、环境污染及温室效应等问题促使世界向新能源可持续发展转型。氢能作为一种清洁的二次能源，通过光伏发电、风电、水电等电解水制氢，可以将大自然中的能量以氢能的形式储存和使用，具有可持续发展的前景[1]。

质子交换膜燃料电池是一种高效的电化学能量转换装置，可以将氢气和空气中氧气的化学能直接转化为电能，反应产物为水[2]，具有能量转换效率高、无有害排放物质和易于操作等优点，是解决全球能源问题和气候变化的理想方案之一[1]。燃料电池发动机是氢能燃料电池的一种应用，在交通运输、船舶、发电、工程机械、农业机械和航天等领域均已开展商业化应用，特别是在交通运输领域，我国制定了系列政策推动氢能和燃料电池发展，规划2030～2035年实现100万辆燃料电池汽车商业化应用的发展目标。

燃料电池发动机的指标包括性能、安全性、环境适应性、可靠性、耐久性和NVH性能等。目前，在燃料电池发动机性能指标的功率密度，安全性指标的气密性、绝缘性能、尾气排放，耐久性指标的寿命，NVH性能指标的振动及噪声，环境适应性指标的低温启动性能和高温散热性能方面做的研究较多，且已发布或正在制定系列国家标准，大大推动了燃料电池发动机的商业化运营。随着国家推动的“燃料电池示范应用”和“氢进万家”工作的不断推进，燃料电池发动机标准会更加完善，燃料电池发动机在新能源动力领域的竞争性会不断提高。

在燃料电池发动机热管理方面，目前主要以燃料电池发动机冷却系统散热、燃料电池堆热管理和燃料电池发动机低温启动等研究为主，国家标准以温度存储和温度适应性等内容为主。虽然温度冲击和冷热冲击已经分别制定了地方标准和团体标准，但是公开的相关研究很少，许永亮等研究了车用燃料电池电堆环境适应性试验，介绍了燃料电池电堆温度冲击试验情况，文章指出目前没有燃料电池电堆温度冲击标准文件指导，只能参考电工电子产品标准，且相关研究也非常少[3]。针对这一现状，本文从标准文件中温度冲击和冷热冲击要求出发，探讨温度对燃料电池发动机的影响，并通过标准文件中试验要求，分析试验循环工况设计思路和试验过程注意事项，为燃料电池发动机温度冲击和冷热冲击研究提供参考。

2 温度对燃料电池发动机的影响

燃料电池发动机由燃料电池堆、氢气供给系统、空气供给系统、冷却系统、电气系统和控制系统等组成，各个系统及其组件均需要密封并保证机械和化学可靠性，以保证燃料电池发动机可靠、稳定运行。

燃料電池堆是燃料电池发动机的核心部件之一，工作温度的高低从膜电极层面到电堆层面对性能及寿命均产生显著影响[4]，温度升高会造成燃料电池堆内部温度分布不均匀，质子交换膜水含量减少，输出性能和燃料电池堆部件寿命不可逆衰减[5]。因此，燃料电池发动机一般设置有最高工作温度和最大进出口温度差限值，防止因为高温造成膜电极损伤，从而使燃料电池发动机性能衰减。

目前，燃料电池发动机各系统及其组件多为卡箍紧固，环境温度急剧变化，会影响与环境直接接触的燃料电池发动机部件结构性能，如果部件结构发生破坏会影响密封性能和可靠性。如在低温环境条件下，密封件可能因弹性降低造成介质泄漏等。

燃料电池发动机运行温度交替变化，受热零件因热胀冷缩发生应力变化，影响发动机及其组件密封可靠性和机械可靠性等，从而影响燃料电池发动机性能。如膜电极机械性能产生不可逆破坏，会影响燃料电池堆性能输出，造成燃料电池发动机性能衰减。

通过温度变化，能够验证燃料电池发动机产品设计、工艺及质量等存在的缺陷，为产品改进、定型和放行提供依据。

3 温度冲击试验分析

燃料电池发动机会在不同的环境温度条件下使用，温度冲击试验主要考核环境温度对燃料电池发动机的影响，DB37/T 4098-2020《质子交换膜燃料电池发动机安全性技术要求》中规定了燃料电池发动机温度冲击试验要求。其中，依据GB/T 33978-2017《道路车辆用质子交换膜燃料电池模块》中存储温度要求，选取了燃料电池发动机温度冲击的低温环境温度为-40℃，高温环境温度为60℃。在考虑燃料电池发动机运行特性基础上，试验循环参考了GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中温度循环。

燃料电池发动机温度冲击试验循环工况的要求见表1，循环工况示意图见图1。

燃料电池发动机温度冲击试验在燃料电池发动机环境仓进行，试验过程中温度实际值与目标值误差应在±2℃以内。

按照表1循环10次，试验后分别进行气密性试验和绝缘电阻试验，验证燃料电池发动机性能和可靠性。

4 冷热冲击试验分析

冷热冲击试验主要考核冷却液温度对燃料电池发动机影响，T/CSAE 236-2021《质子交换膜燃料电池发动机台架可靠性试验方法》中规定了燃料电池发动机启停工况可靠性试验，循环工况包括启动、热机、怠速、停机过程。试验过程中，冷却液温度在常温和最高工作温度之间交替变化，也可称为冷热冲击试验。

燃料电池发动机冷热冲击试验循环工况要求见表2，循环工况示意图见图2。

燃料电池发动机冷热冲击试验的具体步骤如下所示：

a）按照技术要求启动燃料电池发动机并进行热机，待燃料电池发动机冷却液出口温度达到热机要求温度值（如无要求，按照45℃进行）后进行启停循环工况测试；

b）按照表2依次运行各个工况：启动燃料电池发动机后，按照供应商指定的要求加载至额定工况，额定工况下稳定运行3min后停机，停机后在燃料电池发动机允许的范围内快速对燃料电池冷却系统进行冷却，冷却至燃料电池系统出水温度达到室温。

c）至此完成一个循环，历时6min±1min；

燃料电池冷热冲击试验在燃料电池系统测试台架上进行，试验过程中温度实际值与目标值误差应在±2℃以内。

燃料电池发动机冷却液温度控制可用冷热冲击专用试验设备进行控制，也可用燃料电池系统测试台架的冷却系统（冷水机）进行控制。冷热冲击专用试验设备配置有冷水箱和热水箱，燃料电池发动机启动后，切换为热水箱，缩短热机到额定功率运行期间冷却液升温时间，发动机停机后切换为冷水箱，燃料电池发动机水泵继续运行，直至冷却液温度达到常温或25℃±2℃，缩短燃料电池发动机降温时间。冷却液温度控制用燃料电池系统测试台架的冷却系统（冷水机）进行控制时，升温时，冷却液温度由燃料电池发动机自身产生的热量进行温度提升，在温度达到要求后稳定相应的时间；降温时，燃料电池发动机停机后，燃料电池发动机的水泵继续运行，冷却液由燃料电池系统测试台架的冷却系统（冷水机）进行换热降温，从而实现温度降低。

试验时，燃料电池发动机冷却水路小循环关闭，大循环开启，目的是降温过程实现快速降温。在升温过程中，由于燃料电池发动机对冷却液进出口温度差有限制要求，因此热机过程需进行调试设置，否则会影响燃料电池发动机正常运行。

5 结论

本文针对燃料电池发动机温度冲击和冷热冲击研究较少的现状，通过分析温度对燃料电池发动机性能的影响，结合标准文件中对温度冲击和冷热冲击的试验要求，探讨了试验循环工况设计思路和试验过程注意事项，为燃料电池发动机温度冲击及冷热冲击试验考核提供参考，为燃料电池发动机性能及可靠性提升提供助力。

参考文献：

[1]中国氢能联盟.中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019版）.

[2]侯明，衣宝廉.燃料电池技术发展现状及展望[J].电化学，2012，18（1）：1-13.

[3]许永亮，胡可，郑恩亮，张继红，周飞鲲.车用燃料电池电堆环境适应性试验[J].汽车实用技术，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.