燃料电池系统及关键零部件测试评价标准需求及建议

蓝狮平台网讯：

吴迪1,2，郭婷1,2

（1.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司；2.中国汽车技术研究中心有限公司）

摘要：本文阐述了燃料电池汽车系统及关键零部件的技术发展的现状，结合目前产业的需求与相关的标准规范现状，研究提出了燃料电池系统标准发展需求，建立适应于现阶段发展的燃料电池系统及关键零部件的测评要求及测试方法的建议。

近年来，燃料电池汽车已经成为我国发展新能源汽车的重要方向，在示范运行、补贴政策等不断的推动下，燃料电池汽车产业正在蓬勃的发展。国内已经有200家以上的企业进行燃料电池相关的研究。随着商业化的进展，燃料电池系统及关键零部件的可靠性已经成为影响其稳定运行的关键因素，现行的燃料电池系统及关键零部件的测试评价标准已经不能满足发展的需求[1]。需继续建立测试指标全面、测评方法准确的测试评价体系，满足企业在生产制造中的需求，促进燃料电池系统及其关键零部件的发展。同时也为我国节能减排，实现碳中和的目标。

1.燃料电池系统及零部件的发展现状

1.1产业发展现状

近年来，燃料电池的产销不断地上升，在燃料电池系统方面也不断地实现国产化，据相关数据显示，在2021年燃料电池汽车公告车型中，牵引车型中最高的功率可达到162kW，客车车型中最高功率可达到150kW。燃料电池在50~70kW、80~90kW、100~120kW燃料电池系统的配套功率配套使用的居多。目前国内自主研发燃料电池系统及零部件的企业也达到上百家，国内以亿华通、雄韬、上海重塑、广东国鸿、上海捷氢、潍柴动力、深圳氢蓝时代、东方电气、众宇动力等企业为主导，不断地开展系统等方面的开发工作。

1.2标准发展现状

燃料电池相关的标准规范现在难以满足快速发展的速度，日本、美国、韩国等燃料电池汽车发展快速的国家在燃料电池标准化方面较我国先进，如美国的SAE燃料电池标准化委员会是该领域标准化工作的牵头单位，其工作范围是“为燃料电池汽车制定标准和试验规程”，并促进燃料电池汽车的市场化。该委员会通过多年的工作，已制定出10余项标准，日本的汽车研究所（JARI）/日本电动汽车协会（JEVA）负责燃料电池技术测试评价技术的研究工作。我国也一直积极地制定燃料电池相关的标准，目前车用燃料电池标准法规已经十余项。

其中燃料电池系统方面，美国SAE可参考的标准如表1所示。

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国内在2009年就开始从事燃料电池，其中燃料电池系统相关标准如表2所示[3-8]。

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1.3问题与挑战

对于燃料电池汽车领域的应用，不仅仅是对燃料电池系统和燃料电池堆的性能进行测评，还需要从使用场景和使用工况进行开展和考虑。目前燃料电池汽车行业的应用面临着以下挑战：一是燃料电池系统及零部件的总体开发成本过高，应用场景涉及到低温、高温等，严重影响其性能特征。通过其全方位的使用周期来看，需要综合考虑其安全性、可靠性、环境适应性、经济性等多个因素。二是需要对空压机、氢气循环泵、散热器等多个关键部件进行考核，对其特征性能进行测试评价。三是考虑燃料电池堆的特性，特别是其耐久性、气密性、电性能等，保证整体的使用需求。目前在产业大力发展的阶段，燃料电池系统及关键零部件的标准有待完善，对于电堆、空压机、氢气循环泵等，缺乏法规和标准的支撑。对于车用燃料电池系统及关键零部件的应用来说，需要制定全方位的测评规范，才能保证产业链的完整性。

2.标准发展需求

2.1燃料电池系统的测试评价

燃料电池系统作为燃料电池汽车的重要组成部件，其性能直接影响整车的性能。那么对其测试评价也将从实车使用性能、环境适应性、安全性、可靠性、经济性等几个方面展开，全面地进行测试评价。我国的标准法规也正在逐步地开展响应的规划制定，但是由于制定的周期较长，所以在很多方面并没有测试评价的指标进行。如图1所示，将详细介绍在燃料电池系统测试评价方面的标准要求。

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2.1.1基本性能

在燃料电池汽车进行公告认证时唯一的零部件法规要求就是GB/T24549-2009《燃料电池发动机性能试验方法》，其主要包括对其冷机启动、热机启动、额定功率、峰值功率、动态响应、稳态特性等进行测试方法的要求。其主要的目的是为了考核燃料电池系统的响应能力和电特性，通过测试得到的响应时间和极化曲线等特性，为实车的调试和匹配提供参考。

2.1.2安全性

对于燃料电池系统来讲，安全性主要考虑的是电安全和氢安全[9]。在测试或运行过程中危险源包括管路中的氢气以及运行中产生的高电压，所以必须的安全性测试是气密性试验和绝缘性试验[10]，已充分保证在燃料电池系统运行过程中的安全性。

2.1.3环境适应性

环境适应性主要包括高低温适应性、高低温储存以及低温冷启动等测试项目，其中高低温适应性主要考察燃料电池系统在高温和低温环境下的适应能力，能够承受冷热的交变，参考GB/T25319-2010中的测试要求；高低温贮存主要考察的是零部件在高低温环境下的适应能力，参考GB/T33978-2017中的测试要求；低温冷启动[11]作为考察燃料电池系统最重要的指标，目前已经明确地修订在GB/T24554中，后续作为强制性考察的最重要的一项。

2.1.4经济性

燃料电池的效率理论上是40%～60%左右，由于辅助系统的耗电造成市面上的燃料电池系统的效率大概在20%～40%。GB/T34593-2017[4]《燃料电池发动机氢气排放测试方法》中开展关于在循环工况和稳态工况进行，通过对在不同功率状态下的氢气消耗量的对比，开展经济性的分析。

2.1.5可靠性

可靠性主要是指对在实际运行工况下的能力进行考核[12]，包括耐振性、防水防尘、高原适应性等。燃料电池系统的应用工况和动力电池的应用工况相同，所以现阶段测评方法的参考也大多是参考动力电池的可靠性测评方法。

2.2燃料电池堆测试评价

燃料电池堆作为燃料电池系统的核心部件，其高的功率密度以及大功率等是企业追踪的目标。燃料电池堆的性能主要体现在本身的基本技术参数，如体积、质量、单片电池的面积、节数、操作压力、空气利用率、湿度、正常工作温度、最大氢气流量等。对于其他的性能如气密性、绝缘性、电化学性能、环境适应性、耐久性等都是直接影响整车的可靠性和安全性的重要依据。

2.2.1气密性

燃料电池堆的本身结构造成其主要有六个腔体，包括氢气进口流道、氢气出口流道、空气进口流道、空气出口流道、冷却水进水流道、冷却水出水流道。所以各流道之间不相互窜气才能保证氢气和空气的正常反应，否则容易出现反极电压造成电堆损坏。所以在标准中对电堆的气密性的要求较多，比如说整体的密封性、氢外漏、阴阳极内腔窜气、阴阳极腔向冷却水腔窜气量四种气密性测量。对于不同燃料电池堆的类型其气密性有较大的差距，一般复合双极板燃料电池堆的气密性较高。

2.2.2性能测试

燃料电池堆的性能是重要的指标之一，也是燃料电池应用于汽车领域的重要指标。燃料电池堆的性能与燃料电池发动机的性能类似，基本包括极化曲线，峰值功率、额定功率等典型的电参数。另外如质量比功率、体积比功率、反应气利用率、燃料电池堆的效率、单电池的一致性也是评价燃料电池堆的重要参数。对于不同水平的这些重要的指标参数会不尽相同。

2.2.3环境适应性

环境适应性主要考察的是燃料电池堆在低温环境下的响应能力，包括启动时间，以及在低温环境下的性能表现。目前燃料电池堆的高低温储存是强制性检测的重要一项，主要考察的是静止在高温环境（+60℃）和低温环境（-40℃）前后燃料电池堆的性能变化，能够承受住在实际使用环境中工况。

2.2.4耐久性

燃料电池堆的耐久性[13]是各国研究开发的重点，也是影响燃料电池汽车商业化的重要因素。车用工况如停机、怠速、急加速、急减速等工况对燃料电池进行台架测试，目前是满足5000h的商业化使用需求的要求，考虑到测试工况以及寿命衰减的复杂性，标准GB/T38914-2020中推荐了测试车用质子交换膜燃料电池堆寿命的测试方法。

2.3关键零部件测试评价

燃料电池系统的关键零部件承载的系统效率和性能的关键，其中空气压缩机[14]作为空气供应系统的核心部件主要用来提供足够的反应空气，氢气循环泵/氢喷作为氢气供应系统的核心部件主要用来进行氢气的循环利用，加湿器的主要作用是为反应的氢气和空气进行加湿保证燃料电池内部的反应舒适性，去离子器的主要作用是保证冷却水中的离子含量等。这几种核心的零部件的作用重大，如何在系统进行选型和匹配时选择合适的零部件，也需要对其进行性能的详细评价。目前这几种零部件并没有单独的国家标准进行参考，但是许多企业已经对其进行测试评价方法的评价，具体总结如下。

2.3.1空气压缩机

对于不同工作原理的空压机的要求基本相同，需要无油、高效、低噪音、小型化等。燃料电池堆功率的逐渐上升，要求空气的流量也越来越大，也要保证相应的足够大的转速，所以，流量和转速是评价空气压缩机的关键指标。其次，由于燃料电池系统的效率和体积比功率的要求，对空压机的能耗要求较高，低能耗的空气压缩机有利于提高燃料电池系统的效率。

2.3.2氢气循环泵

该装置可以将未完全反应的氢气重新输送到阳极进行反应，对于提高燃料电池系统的效率有着重要的作用。由于氢气在整个运行中容易泄露、需要承载大功率电堆所需流量等原因，对于氢气循环泵的流量、密封性、耐水性以及压力的稳定输出等，相比传统的气体循环泵要高很多。

2.3.3增湿器

燃料电池堆在反应过程中需要一定湿度的氢气和空气以保证内部的反应效率。增湿器就能够很好的控制气体的湿度，是燃料电池系统的不可或缺的关键部件。对于加湿器的选型要考虑露点、流阻、效率、耐温度和耐压力的情况，并保证一定的寿命的使用。

2.3.4去离子器

在燃料电池堆反应过程中需要保证水循环系统中的电导率维持在一定的浓度以下。由于在反应过程中会释放一定量的离子同时各种零部件在运转过程中也会析出离子导致离子浓度会一直上升，需要专业的去离子器维持一定的电导率。所以对去离子器的最主要的要求就是离子的交换速率，这也是评价燃料电池用的去离子器最重要的指标。

3.结语

本文通过分析车用燃料电池系统及关键零部件的应用场景和使用需求，搭建了测试评价的体系，并针对不同部件和系统的要求，分析其测试评价指标体系。提出了对不同关键零部件的测试评价的指标和要求，为企业进行优化选型提供有力的支撑，推动我国燃料电池产业的发展。