氢燃料电池发动机“三高”环境模拟试验进展

李 龙

氢燃料电池发动机“三高”环境模拟试验进展

李 龙

（国鸿氢能科技（嘉兴）股份有限公司，浙江 嘉兴 314200）

氢燃料电池发动机具备清洁、环保、高效等优点，日益受到社会青睐。与此同时，对氢燃料电池发动机的环境适应性也提出了更高的要求。“三高”（高寒、高温、高原）试验是验证氢燃料电池发动机适应极端环境的重要手段。文章从实验室角度出发，主要介绍了氢燃料电池发动机“三高”环境模拟试验、测试设备及平台搭建、试验项目及影响因素，以期通过实验室的环境模拟，为氢燃料电池发动机在实际应用场景中的运用提供参考价值。

氢燃料电池发动机；“三高”试验；环境模拟

氢燃料电池发动机由电堆、空气压缩机、氢气循环泵及其他辅助零部件组成。在“碳达峰”“碳中和”的背景下，氢燃料电池发动机作为动力源在道路车辆、轨道交通、游艇船舶、固定发电站等领域的使用越来越广泛。更多的应用意味着更大的挑战，高寒环境、高温环境、高原环境（俗称“三高”环境）是对氢燃料电池发动机在实际应用中的严峻考验[1]。如何发现和解决氢燃料电池发动机在“三高”环境下存在的技术缺陷，是当前面临的一个重要问题。

实验室“三高”环境模拟试验是氢燃料电池发动机走向实际应用前的重要一步。通过模拟“三高”环境，一方面能够有效发现氢燃料电池发动机存在的问题，及时针对问题提出解决方案；另一方面也能从成本上，大大缩减“三高”试验的资源投入，提高研发和使用效率。当前，并没有一套完善的测试体系指导氢燃料电池发动机“三高”试验的开展及试验后的结果评定，这也是当前业内人员应该思考的一个问题。本文以期通过对氢燃料电池发动机“三高”环境模拟试验的概述，为氢燃料电池发动机的发展提供一些思路和参考价值。

1 “三高”环境模拟试验简介

1.1 高寒环境模拟试验

高寒环境模拟试验是指通过低温试验箱模拟低温环境，检验产品在低温下的持续工作或者存储的能力。

对于氢燃料电池发动机来说，高寒试验一方面从零部件层级上检验了各零部件的低温特性，例如：发动机中电堆的低温密封性、氢气比例阀或者喷射器的低温稳定性、电磁阀低温加热性能等等；另一方面从控制策略上检验了氢燃料电池发动机控制策略的优劣[2]。低温冷启动能耗的大小、低温环境运行稳定性、低温关机吹扫合理性、发动机效率高低等，均是高寒环境模拟试验检验的目标。

1.2 高温环境模拟试验

高温环境模拟试验是指通过高温试验箱模拟高温环境，检验产品在高温下地持续工作或者存储的能力。

氢燃料电池从工作原理上来说在发电的同时，存在较大的热量辐射。高温环境对于氢燃料电池发动机的水热管理和零部件的高温适应性是一个极大的考验[3]。首先对零部件的高温特性提出了较高要求，要求各零部件在高温环境下能够持续稳定运行，避免出现例如热膨胀、过温的问题，进而保障发动机的稳定运行。其次，要求氢燃料电池发动机的控制策略能够较好适应高温环境，特别是在热管理上，可以通过合理的控制策略，达到发动机的水热平衡。

1.3 高原环境模拟试验

高原环境模拟试验是指通过低气压试验箱模拟高原环境，检验产品在低气压下的工作适应性。

高原环境对氢燃料电池发动机的直接影响因素是低气压。低气压直接影响了发动机空气路相关参数，例如：空气流量、入堆空气压力、氢空压差等，进而影响发动机的输出性能、辅助能耗等[4]。通过高原环境模拟试验，可以在一定程度上检验低气压下发动机出现的“高原反应”问题，并以此提出相应的应对策略。

2 “三高”环境模拟试验测试设备及平台搭建

2.1 “三高”环境模拟试验测试设备

高寒环境、高温环境的模拟，主要由高低温试验箱及相关辅助设备完成，高原环境的模拟，主要由低气压试验箱及相关辅助设备完成。试验过程执行及结果评定则需用到“三高”试验相关的仪器设备。

高低温试验箱根据不同的标准可进行不同的分类，氢燃料电池发动机因其尺寸较大且对使用环境有较高的要求，一般用到的是步入式高低温试验箱。根据氢燃料电池发动机的试验项目需求，箱体内部材质需具备耐热耐寒、耐腐蚀、不易氧化且具备一定机械强度的材料，一般选用不锈钢材质。试验箱的低温温度等级不能低于-40 ℃，高温温度等级超过70 ℃，温度偏差为±2 ℃，温度波动度≤1 ℃，升降温速率一般要求≤1 ℃/min，风速与体积则根据发动机功率等级及散热方式决定。一般来说，高功率及风冷式氢燃料电池发动机，需要体积较大、风速较快的试验箱，以达到快速散热保持恒温的目的。高低温试验箱具体技术条件可参考《高低温试验箱技术条件》（GB/T 11158－2008）[5]。高低温试验箱辅助设备一般包含冷水塔、压缩机、电力控制平台等，用来辅助高低温试验箱温度的设定和保持。对于高寒环境模拟试验，需要额外配置的辅助设备还有气体预冷设备，用以对氢燃料电池发动机的燃料进行预冷，达到模拟实际运行环境的目的。气体预冷包含氢气预冷设备和空气预冷设备，其相应的预冷能力需根据发动机的运行参数进行匹配。低气压试验箱主要包括试验箱主体、真空泵、稳压储气罐、低气压试验管道等。若氢燃料电池发动机采取风冷散热，低气压试验箱则需具备较强的通风能力和散热能力，维持舱内温度稳定。若氢燃料电池采用水冷散热，箱体内部通风和散热能力则无太高要求，只需辅助水冷散热系统具备足够的散热能力。低气压试验箱的气压等级一般需到55 kPa，满足 5 000 m海拔环境的模拟条件，因此需根据气压等级匹配相应的真空泵。气压偏差选择±2 kPa即可，气压变化率≤10 kPa/min。具体技术条件可参考《低气压试验箱技术条件》（GB/T 11159－2010）[6]。稳压储气罐的体积一般需达到20 m3以上，体积越大，进入发动机的空气压力和流量越稳定。低气压试验管道通常采用316不锈钢等材质，一方面满足环境适应性要求，另一方面避免管路因内外压差造成管路压扁的现象。

“三高”试验用到的检测设备包含氢气流量计、功率分析仪、冰点分析仪、电压表、电流表、绝缘表等。对于用在低温试验箱内部的仪器设备，必须具备耐低温特性，同时根据实际情况选择合适的环境模式，否则可能造成试验结果偏差。以功率分析仪电流钳为例，将其长期置于-30 ℃以下低温环境，在线采集电流时，可能存在数据缺失、数据偏移等问题。因此必须采用耐低温电流钳或对其进行保温措施，让其保持在正常工作温度范围内。对于在高寒环境模拟实验中用到的其他仪器设备种类和精度，可参考国标《质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法》（GB/T 33979－2017）[7]中要求进行选择。高温试验对检测设备的耐高热性同样提出了要求，检测设备在高温条件下工作，不能出现热塑化、破裂、散发异味等现象，同时检测结果不能出现偏移。高原试验主要是低气压的采集问题，气体压力传感器的压力等级必须满足所设定低气压的需求。

2.2 “三高”环境模拟试验平台搭建

搭建一套完善、正确的“三高”试验测试平台，是保证试验结果真实有效的前提。根据氢燃料电池系统“三高”环境模拟试验项目要求，测试平台的搭建主要有以下三个要点：

1）设备放置的位置。在高寒试验、高温试验中，除氢气源外，与氢燃料电池发动机相连的气路接口、冷却液及冷却液接口、电气接口均需置于高低温试验箱舱内部，以保证进入发动机的燃料与冷却液与设定温度相同。在高原试验中，发动机空气路进出接口必须与实验室内试验管道连接，确保在非工作状态下，发动机空气路进出口的压力与设定气压值一致。“三高”试验中发动机及辅助设备的放置方向可根据自身结构特点适当调整，但在满足上述“三高”环境要求的基础上，搭建的平台也要求能够满足常规测试要求，不能因为满足“三高”环境的要求，忽略了其他测试因素。

2）测量设备的布置。测量设备属发动机测试辅助仪器，在测试过程中既要保证自身的精度和测试环境适当，又不能对发动机的运行造成干扰。比如不能放置在发动机易发热部件周围。如果自身电磁兼容性能较差，也应适当远离发动机，避免带来电磁干扰。

3）其他特征性需求。高寒试验高温试验对于温度的稳定性要求较高，在布置完测试平台后，应重点检查一些试验箱内外通孔是否密封严实，尽量做到内外无热交换。高原试验需要重点关注发动机空气入口前的管道材质硬度问题，尽量不用硅胶管类材质较软的气体管路，以免内外压差压扁管路，造成空气流量供应不足。对于发动机本体上材质较软的气体管路，可更换为材质更硬的管路或采取表面加固措施。

3 “三高”环境模拟试验测试项目

氢燃料电池发动机“三高”环境模拟试验需针对实际应用场景。在不同的应用场景下，动力性、经济性、安全性、可靠性等均是关注的重点。因此“三高”试验的项目，也需有针对性地开展。本章以氢燃料电池汽车应用场景为例，从实际应用角度，展开氢燃料电池发动机“三高”试验项目的描述[8-9]。

3.1 高寒环境模拟试验测试项目

氢燃料电池汽车在高寒条件下，容易出现密封性差[10]、绝缘阻值降低、启动困难、运行不稳定、性能下降等问题[11]，针对这些问题，氢燃料电池发动机需开展以下试验项目：

1）低温冷启动试验。低温下整车启动慢、成功率低是普遍存在的问题。这些问题的根源，在一定程度上取决于氢燃料电池发动机的低温冷启动状况。低温冷启动试验能够有效验证氢燃料电池发动机在启动阶段的性能表现，包含启动响应时间、系统输出功率大小、辅耗大小及燃料消耗量。结合发动机的低温启动性能参数和整车需求，标定出一套合理的运行参数，针对整车低温启动难的问题，提出合适的控制策略和方法，解决整车动力性问题。

2）稳态特性试验。整车在低温运行过程中，会结合路况进行变功率运行，动力电池的电量会在较短的时间内发生较大的变化。此时，发动机的工况也需要进行实时变动，及时给电池充电或停止充电，以满足整车动力电池的需求。稳态特性试验记录了发动机在全功率段内不同工况点对外输出电压、电流、自身辅耗、氢耗量等参数。可以结合发动机各工况点的稳态参数，为整车选定合适的工况匹配参数，解决整车动力性问题。

3）动态响应特性试验。动态响应特性试验反映了氢燃料电池发动机工况点变化的快慢，一定程度上影响了整车应对突发状况时的响应时间。因此有必要掌握氢燃料电池在高寒条件下的响应速度，提前为整车可能遇到的突发状况做好保障措施，保障的整车动力性和制动性。

4）额定功率试验。整车长时间高速度运行，需要发动机持续提供高功率。低温下氢燃料电池发动机以额定功率长时间运行，一方面可以检验发动机运行的稳定性，另一方面也可以从统计学的角度有效计算发动机的氢耗量，从而直接反映出整车的经济性和可靠性。

5）动态平均效率特性试验。整车在低温环境实际应用中，发动机功率是一种动态加稳态的输送方式。该试验结合动态变载和稳态特性试验，计算出高寒环境下发动机的平均效率，可以在一定程度上反映整车的经济性。

6）气密性试验。低温环境材料会发生体积收缩，这种情况对于发动机的密封性是不利的。气密性试验可以检验出低温下氢燃料电池发动机的密封效果，从而体现出整车的安全性。

7）绝缘电阻测试。低温环境对燃料电池的绝缘性能有一定影响，通过绝缘电阻测试，可以反馈出整车的安全性。

3.2 高温环境模拟试验测试项目

氢燃料电池汽车在高温条件下，容易出现结构热胀，影响气密性[10]。高的环境温度让散热系统在散热时的能量交换中变得更困难，增加了整个系统的能耗。以空压机为代表的零部件，在高温下呈现能耗增大、流量降低等问题。基于此，氢燃料电池发动机需开展以下试验项目：

1）高温运行试验。高温下氢燃料电池发动机辅耗的增加会降低发动机整体对外输出功率，这对在整车上的运行是十分不利的。有必要通过高温运行试验，验证氢燃料电池发动机的系统输出功率、辅耗、氢耗等性能。在实际应用中，直接与整车的动力性和经济性相关联。

2）冷却能力试验。高温对于整车的散热是一个严酷的考验，对氢燃料电池发动机的性能有着直接影响。发动机和冷却系统运行逻辑的合理配合，是解决高温散热问题的关键。通过冷却能力试验，验证出发动机冷却液进出口温度及相应的散热系统能耗，进而为高温下整车的运行提供一套合理的控制策略，解决整车动力性和经济性的问题。

3）稳态特性试验。整车在高温环境中同样存在变功率运行的情况。发动机也需要根据动力电池的电量需求在不同的工况下运行，及时对动力电池进行充电或停止充电。稳态特性试验记录了发动机在全功率段内不同工况点对外输出电压、电流、自身辅耗、氢耗量等参数。可以结合发动机各工况点的稳态参数，为整车选定合适的工况匹配参数，解决整车动力性问题。

4）动态响应特性试验。动态响应特性试验反映了氢燃料电池发动机工况点变化的快慢，一定程度上影响了整车在应对突发状况时的响应时间。因此有必要掌握氢燃料电池在高温条件下的响应速度，提前为整车可能遇到的突发状况做好保障措施，保障的整车动力性和制动性。

5）额定功率/峰值功率试验。在额定功率和峰值功率下，氢燃料电池发动机会产生大量的热，如果散热系统能满足额定功率和峰值功率下热平衡管理，对整车来说也是非常有利的，体现出发动机在整车上的可靠性。

6）气密性试验。高温环境材料会发生体积膨胀，这种情况对于发动机的密封性也是不利的。气密性试验可以检验出高温下氢燃料电池发动机的密封效果，从而体现出整车的安全性。

7）绝缘电阻测试。高温环境引发的密封问题，可能使氢燃料电池电堆发生液体泄漏，通过绝缘电阻测试，可以反馈出整车的安全性。

3.3 高原环境模拟试验测试项目

在高原地区，海拔高、空气稀薄、氧含量低，这些因素直接决定了同等条件下进入氢燃料电池发动机内的氧气更少，导致电阴极“欠气”，降低发动机的输出功率[12]，进而影响整车的整体性能。针对此问题，氢燃料电池发动机需开展以下试验项目：

1）稳态特性试验。通过稳态特性试验，找出发动机在每个工况点的性能表现。然后结合整车的实际需求，找出相互匹配的工况，一般通过参数升级的方式实现，即用高功率工况点参数匹配低功率工况点。或者通过标定试验，提升空气路各零部件参数，达到同样的供气效果。稳态特性试验重在解决整车动力性问题。

2）动态响应特性试验。高原环境下整车的工况变化对于氢燃料电池发动机提出了很高的要求，尤其是空气供给系统，能否在短时间内达到需求的参数保障整车的运行。动态响应特性试验以整车工况变化为背景，验证了氢燃料电池发动机的变载能力。以此可以标定出一组合适的参数应对高原环境，影响整车的动力性和制动性。

3）额定功率/峰值功率试验。高原环境中氢燃料电池发动机长时间保持高功率运行，对于空气供给系统尤其是空压机来说，是一项艰巨的任务。空压机持续长时间在额定转速甚至峰值转速下工作，对自身的稳定性和寿命都有不利影响。通过额定功率试验，从空气供给系统的角度检验发动机整体的稳定性，同时在试验中可以从统计学的角度有效计算发动机的氢耗量，从而直接反映出整车的经济性和可靠性。

4）气密性试验。高原环境对氢燃料电池发动机的气密无直接影响，考虑整个发动机系统的安全性，应进行气密性试验。

5）绝缘电阻测试。高原环境对绝缘电阻并无直接影响，从安全性的角度，任何环境下的试验，均应对氢燃料电池发动机的绝缘阻值进行检测。

氢燃料电池发动机“三高”环境模拟试验测试项目及相关参考标准如表1所示。

表1 “三高”试验项目及引用标准

试验项目高寒高温高原参考标准 低温冷启动试验开展 《质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法》（GB/T 33979－2017） 稳态特性试验开展开展开展《燃料电池发动机性能试验方法》（GB/T 24554－2022） 动态响应特性试验开展开展开展《燃料电池发动机性能试验方法》（GB/T 24554－2022） 动态平均效率特性试验开展 《燃料电池发动机性能试验方法》（GB/T 24554－2022） 额定功率试验开展开展开展《燃料电池发动机性能试验方法》（GB/T 24554－2022） 峰值功率试验 开展开展《燃料电池发动机性能试验方法》（GB/T 24554－2022） 高温运行试验 开展 《燃料电池发动机性能试验方法》（GB/T 24554－2022） 冷却能力试验 开展 气密性试验开展开展开展《燃料电池发动机性能试验方法》（GB/T 24554－2022） 绝缘电阻测试开展开展开展《燃料电池发动机性能试验方法》（GB/T 24554－2022）

注：表1中“三高”试验项目为建议项目，可根据实际情况增减。

4 “三高”环境模拟试验影响因素

氢燃料电池发动机“三高”环境模拟试验成功与否，是由多方面因素共同决定的。下面就各影响因素对试验的影响，分别进行叙述。

4.1 发动机环境适应性

氢燃料电池发动机自身环境适应性的强弱，是决定“三高”试验成功与否的根本因素。发动机中大量零部件对环境温度、环境气压有很强的敏感性，因此在发动机研发的初始阶段，应考虑选用环境适应性强的零部件，同时针对适应性弱、暂无替代品的零部件，可以通过外加保护措施，应对苛刻环境的挑战。

4.2 控制策略

控制策略是保证氢燃料电池发动机“三高”试验成功的关键因素。合理地控制策略能在一定程度上解决发动机存在的短板问题，通过自身动作减缓环境因素对发动机带来的不利影响。

4.3 仪器设备

仪器设备是试验的“眼睛”，通过采集试验过程中的参数，及时反应发动机的状态。在氢燃料电池发动机运行过程中，参数的变化需要通过专用的仪器设备才能采集到。因此选择合适的仪器设备是试验成功的保障。仪器设备是“三高”试验成功与否的重要因素。

4.4 人员操作

目前氢燃料电池发动机各种试验的开展，很大程度上要依托于人员操作。虽然有部分标准对试验的开展流程有较详细的要求，但是在一些细节方面仍有不尽详细之处。人员操作的主观性、规范性，在一定程度上影响了试验结果。因此人员操作是“三高”试验中不可忽略的因素。

5 结语

氢燃料电池发动机“三高”环境模拟试验是发动机研发过程中重要的验证试验，是走向实际应用的重要一步。针对其在整车或其他实际应用场景中可能出现的问题，有针对性地开展“三高”试验项目，及时发现问题并提出合适的解决方法，在氢燃料电池发动机开展“三高”环境模拟试验中具有重要意义。

[1] 何俊南,董晓菲,王雪颖,等.“三高”环境下纯电动乘用车整车性能主观评价分析[J].汽车实用技术,2022, 47(22):167-171.

[2] 李剑铮,周梦婷,王博,等.氢燃料电池汽车发动机低温冷启动研究[J].汽车文摘,2023(4):40-46.

[3] 姚安琪,曹亚平,刘单珂,等.质子交换膜燃料电池水热管理特性研究[J].电源技术, 2023,47(3):341-347.

[4] 蔡强真,裴冯来.燃料电池发动机测试中的大功率海拔模拟典型问题及解决方案研究[J].汽车与配件, 2022(18):62-65.

[5] 中国国家标准化管理委员会.高低温试验箱技术条件:GB/T 11158－2008[S].北京:中国标准出版社,2017.

[6] 中国国家标准化管理委员会.低气压试验箱技术条件:GB/T 11159－2010 [S].北京:中国标准出版社,2010.

[7] 中国国家标准化管理委员会.质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法:GB/T 33979－2017[S].北京:中国标准出版社,2017.

[8] 程源,刘培培,赵林平,等.汽车“三高”环境适应性试验开发和验证[J].公路与汽运,2016(3):11-13.

[9] 张磊,薛黎明,王东亮,等.重型柴油车“三高”试验[J].内燃机与配件,2021(18):94-95.

[10] 于莎,庄昕.燃料电池温度冲击试验分析[J].时代汽车, 2023(12):137-139.

[11] 袁峰.低温环境下质子交换膜燃料电池冷启动性能研究[D].杭州:浙江工业大学,2019.

[12] 许永亮,胡可,郑恩亮,等.车用燃料电池电堆环境适应性试验[J].汽车实用技术,202247(5):63-66.

Progress of"High-old High-hot and High-altitude" Environmental Simulation Test of Hydrogen Fuel Cell Engine

LI Long

( Sino-Synergy Hydrogen Energy Technology (Jiaxing) Company Limited, Jiaxing 314200, China )

Hydrogen fuel cell engine has the advantages of cleanliness, environmental protection and high efficiency, and is increasingly favored by the society. At the same time, higher requirements in environmental adaptability of hydrogen fuel cell engine are also put forward. The test of "High-cold high-hot and high-altitude" is an important means to verify the adaptability of hydrogen fuel cell engine to extreme environment. This paper mainly introduces the "High-cold high-hot and high-altitude environmental simulation test, test equipment and platform construction, test items and influencing factors of hydrogen fuel cell engine from the perspective of laboratory, looking forward to providing reference value for the application of hydrogen fuel cell engine in practical application scenarios through laboratory environment simulation.

Hydrogen fuel cell engine; "High-cold high-hot and high-altitude" test; Environmental simulation

U464

A

1671-7988(2023)18-198-06

李龙（1990－），男，硕士，工程师，研究方向为氢燃料电池发动机研发测试，E-mail:lilong900906@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.039