典型30 kW級質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)性能測評對比研究

裴 馮 來

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典型30 kW級質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)性能測評對比研究

裴 馮 來1,2,3

（1上海機(jī)動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805；2國家機(jī)動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（上海），上海 201805；3國家新能源機(jī)動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，上海 201805）

本文基于國家級第三方汽車檢測機(jī)構(gòu)豐富的燃料電池整車、系統(tǒng)及核心零部件檢測數(shù)據(jù)庫，選取典型樣品，進(jìn)行了典型30 kW級國際主流企業(yè)商業(yè)化燃料電池發(fā)動機(jī)、國際技術(shù)背景合資企業(yè)商業(yè)化發(fā)動機(jī)和國內(nèi)主流企業(yè)商業(yè)化發(fā)動機(jī)的性能對比分析及綜合評價研究。研究包括極化曲線對比、電堆功率輸出和效率對比、發(fā)動機(jī)功率輸出和效率對比、輔助系統(tǒng)功率和功率因子對比、氫耗率和氫流量對比等系列研究。研究結(jié)果為相關(guān)技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化提供了必要的借鑒。

質(zhì)子交換膜燃料電池；發(fā)動機(jī)性能；測評；對比研究

在世界范圍內(nèi)，氫能燃料電池汽車整體正處于商業(yè)化初期。從燃料電池汽車核心技術(shù)及成本因素考慮：國際氫能燃料電池汽車商業(yè)化陣營可分為3個梯隊(duì)：第一梯隊(duì)，豐田（Mirai）、本田（Clarity）和現(xiàn)代（Nexo）等為代表的已推出商業(yè)化車型的整車廠（其電堆核心部件水平、電堆功率級別/比功率/氫耗、輔助系統(tǒng)核心零部件、整車動力系統(tǒng)動力性/經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)均遙遙領(lǐng)先[1]）；第二梯隊(duì)以日產(chǎn)、通用、福特、奔馳、上汽為代表的即將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的整車廠，和以Ballard、Plugpower等先進(jìn)系統(tǒng)/電堆供應(yīng)商聯(lián)合相關(guān)國內(nèi)外整車廠形成的聯(lián)合體；第三梯隊(duì)，國內(nèi)本土系統(tǒng)/電堆供應(yīng)商和正在開發(fā)相關(guān)車型的整車廠，國外其它系統(tǒng)/電堆供應(yīng)商和整車廠[2]。

從2016年下半年開始局勢有所變化，中國企業(yè)正努力從第二梯隊(duì)和第三梯隊(duì)后半段向前追趕。隨著國內(nèi)30～50 kW級質(zhì)子交換膜燃料電池電堆/系統(tǒng)制造水平的進(jìn)步、國家燃料電池汽車財(cái)政補(bǔ)貼政策傾向以及商用車應(yīng)用的需要，搭載30 kW級質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)或增程器的氫燃料電池汽車市場發(fā)展迅猛，已成為發(fā)展主流，并有可能重新定義30 kW系統(tǒng)在世界燃料電池汽車商業(yè)化應(yīng)用中的地位。

由于燃料電池汽車正處于商業(yè)化初期，國際先進(jìn)技術(shù)封鎖及國內(nèi)商業(yè)化樣本偏少，相關(guān)商業(yè)化燃料電池發(fā)動機(jī)性能、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的分析及對比研究不多。翟雙[3]通過對比國內(nèi)外燃料電池系統(tǒng)及核心零部件提出了國產(chǎn)化車用燃料電池動力系統(tǒng)的研發(fā)方向，但其基于某企業(yè)的研究信息受限；文醉等[4]基于中國汽車研究中心對于燃料電池發(fā)動機(jī)的檢測實(shí)踐提出了標(biāo)準(zhǔn)的升級方案，但未對具體性能做出研究；李榮榮[5]、姬俊昌[6]分別對燃料電池電堆、燃料電池汽車的技術(shù)成熟度及評價方法做了研究，為本文商業(yè)化分析提供了借鑒。

本文基于國家標(biāo)準(zhǔn)及委托研發(fā)測試數(shù)據(jù)庫，選取并對比分析了進(jìn)入中國市場的國際主流制造商商業(yè)化系統(tǒng)（由于日系車等商業(yè)化產(chǎn)品暫未進(jìn)入中國并測試，不列入研究）、國際技術(shù)背景合資企業(yè)商業(yè)化系統(tǒng)和國內(nèi)主流制造商商業(yè)化系統(tǒng)。通過對其極化特性曲線、效率、功率/功率因子、氫耗等的對比研究，說明了國內(nèi)30 kW級燃料電池發(fā)動機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀；基于AHP（層次分析法）綜合評價方法[7]，進(jìn)行了不同系統(tǒng)的綜合評分對比，指出國內(nèi)30 kW級燃料電池發(fā)動機(jī)技術(shù)薄弱之處，為以后燃料電池企業(yè)發(fā)展提供借鑒。

1 研究方法

目前，燃料電池相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布60余項(xiàng)。其中，涉及到氫能燃料電池汽車市場準(zhǔn)入和補(bǔ)貼政策的新能源專項(xiàng)測試項(xiàng)目9項(xiàng)。與本文研究有關(guān)的新能源專項(xiàng)測試項(xiàng)目如表1所示，列出了新能源專項(xiàng)測試所采用的標(biāo)準(zhǔn)，由此可以確定現(xiàn)階段中國市場內(nèi)氫燃料電池測試技術(shù)和政策扶持的關(guān)注點(diǎn)。

表1 氫能燃料電池相關(guān)的新能源專項(xiàng)測試條目

以新能源專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)為導(dǎo)向，基于國家機(jī)動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心（上海）針對新能源專項(xiàng)測試和委托研發(fā)測試的數(shù)據(jù)庫（該中心目前在氫燃料電池相關(guān)的公告和委托類測試占比50%以上），對進(jìn)入商業(yè)化以來不同類型的測試需求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖1(a)所示，列舉了主要的公告和委托研發(fā)測試需求：包括燃料電池發(fā)動機(jī)性能/可靠性/耐久性、車載氫系統(tǒng)、核心零部件性能及耐久性、系統(tǒng)/零部件環(huán)境適應(yīng)性、EMC等，燃料電池發(fā)動機(jī)性能測試占比51%，說明其重要程度；另對不同功率級別系統(tǒng)的測試需求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖1(b)所示，新補(bǔ)貼政策[14]推出后30 kW級燃料電池發(fā)動機(jī)性能測試占比61%，也確定了本文現(xiàn)階段對測試樣本功率級別的選擇。

圖1 商業(yè)測試需求及燃料電池發(fā)動機(jī)性能功率級別統(tǒng)計(jì)

此外，基于燃料電池汽車技術(shù)成熟度（TRL，technology readiness level）的9級評價模型分析[5-6]，目前燃料電池堆內(nèi)部主要部件：質(zhì)子交換膜、催化劑處在TRL6級（工程樣品模擬環(huán)境驗(yàn)證）；電極材料處在TRL7級（工程樣品實(shí)際環(huán)境驗(yàn)證）；氣體擴(kuò)散層處在TRL8級（通過測評的實(shí)際產(chǎn)品）[5-6]?；跈z測中心數(shù)據(jù)庫，國內(nèi)燃料電池發(fā)動機(jī)、氫系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)核心零部件（空壓機(jī)、泵等），基本處于TRL3-TRL4級（試驗(yàn)樣機(jī)和試驗(yàn)室環(huán)境下的基本性能驗(yàn)證）。由于電堆內(nèi)部關(guān)鍵部件的核心技術(shù)被少數(shù)國外企業(yè)把持且已經(jīng)相對成熟，很難獲取也不容易分析，因此本文不做研究；本文主要以市場化背景下技術(shù)成熟度較低的燃料電池發(fā)動機(jī)作為研究對象。

研究基于國家推薦標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24554—2009的典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫和綜合分析處理軟件，進(jìn)行了3個典型試驗(yàn)樣本的對比分析。首先，在燃料電池發(fā)動機(jī)測試臺架上對燃料電池發(fā)動機(jī)進(jìn)行冷/熱啟動試驗(yàn)、額定功率試驗(yàn)、峰值功率試驗(yàn)、動態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)、緊急/斷氣停車及再啟動試驗(yàn)、氣密性、絕緣電阻測試以及質(zhì)量測試等方面的測試，并形成標(biāo)準(zhǔn)測試變量及結(jié)果數(shù)據(jù)庫；基于構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫，選取典型試驗(yàn)樣本，構(gòu)造典型特性曲線進(jìn)行對比分析（極化特性曲線、輸出功率曲線及燃料電池效率曲線等）。

在此基礎(chǔ)上利用AHP層次分析法進(jìn)行綜合評定打分。該方法的原理是以測試平臺得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)造多層（目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層）的指標(biāo)和評分函數(shù)；首先得到燃料電池發(fā)動機(jī)指標(biāo)層各指標(biāo)的評分，進(jìn)而根據(jù)指標(biāo)層各指標(biāo)的權(quán)重，得到上一層準(zhǔn)則層指標(biāo)的綜合得分，最終根據(jù)準(zhǔn)則層各指標(biāo)的權(quán)重，得到上一層目標(biāo)層指標(biāo)的綜合評分[7]。

2 結(jié)果與討論

首先通過在一定溫度與氣體壓力下，改變負(fù)載電阻的大小，測量燃料電池輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系得到燃料電池電堆極化特性曲線，如圖2所示。

圖2 極化特性曲線對比

根據(jù)燃料電池理論，若燃料電池化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)化率為100%，則極化特性曲線理想電動勢應(yīng)為1.48 V。然而實(shí)際情況是這并不可能發(fā)生，例如總有一部分能量將轉(zhuǎn)化成熱能或內(nèi)部短電流消耗掉，由圖2可知，所有燃料電池開路電壓均處于0.8～1 V之間，國際主流品牌電堆的開路電壓較高，在溫度等條件相似的前提下，說明其催化劑擁有更高的活性，但相比之下極化特性表現(xiàn)略差；國內(nèi)主流品牌電堆在中低電流密度下極化特性表現(xiàn)最好；國際背景合資公司產(chǎn)品的電壓隨電流密度下降最慢，呈現(xiàn)了較好的-特性；綜上，說明國內(nèi)30 kW級電堆的極化特性與國外進(jìn)入中國市場的同類產(chǎn)品已處于同一水平，甚至更好。

圖3 燃料電池電堆功率/效率-電流曲線對比

對比3種電堆的功率輸出和效率，如圖3所示，效率公式見式(1)，發(fā)現(xiàn)隨著電流的增大3種電堆功率均呈現(xiàn)上升趨勢。國內(nèi)主流制造商電堆在同等電流下?lián)碛凶罡叩墓β瘦敵黾靶?，超過了國際主流制造商產(chǎn)品，說明進(jìn)入中國市場的30 kW級電堆國內(nèi)外已無功率動態(tài)輸出能力和效率上的差距。同等電流下，國際背景合資企業(yè)電堆的功率輸出和效率處于劣勢，說明國際技術(shù)和國內(nèi)制造工藝的融合還有待提高。對于實(shí)際電堆效率（一般50%～80%之間），隨著電流增大，各種不可逆電壓損失增大并占據(jù)主導(dǎo)因素，使得3種電堆效率總體呈下降趨勢，電池溫度的升高和陰陽極高氣壓會填補(bǔ)部分效率損失，另外實(shí)際效率還需考慮氫氣利用率（實(shí)際氫氣流量/理論氫氣流量）的影響；由結(jié)果可知，國際背景合資企業(yè)電堆相較于其它兩家效率表現(xiàn)較為平穩(wěn)，說明其電池管理水平、催化劑和膜的穩(wěn)定度 較好。

進(jìn)一步地，本文對比了3種發(fā)動機(jī)的功率輸出和效率，如圖4所示，效率公式見式(2)。隨著電流的增大，3種燃料電池發(fā)動機(jī)的功率總體均呈上升趨勢。在同等電流下，國內(nèi)主流制造商功率高于其它兩種，國際主流品牌產(chǎn)品高電流區(qū)域上升趨勢減緩，應(yīng)為受輔助系統(tǒng)功率大幅上升影響。燃料電池發(fā)動機(jī)的效率需要同時考慮電堆的效率和輔助系統(tǒng)的影響，輔助系統(tǒng)的功率和功率因子隨電流變化如圖5所示，功率因子公式如式(3)所示，國際和國內(nèi)主流品牌發(fā)動機(jī)輔助系統(tǒng)功率和功率因子在中等電流以后有大幅上升，導(dǎo)致其發(fā)動機(jī)效率在中等電流后有大幅下降，并開始低于國際背景合資企業(yè)產(chǎn)品，說明其輔助系統(tǒng)核心部件（空壓機(jī)、氫循環(huán)泵等）選型不理想，需要進(jìn)一步優(yōu)化；國際背景合資企業(yè)發(fā)動機(jī)效率和輔助系統(tǒng)功率/功率因子均較平穩(wěn)，其輔助系統(tǒng)功率因子是3種產(chǎn)品中唯一隨電流增加而降低的，說明其輔助系統(tǒng)配置較優(yōu)。

圖4 燃料電池發(fā)動機(jī)功率/效率-電流曲線對比

式中，RPF為功率因子，PA為輔助系統(tǒng)功率，PS為電堆功率。

另外，燃料電池電堆/系統(tǒng)氫耗率如式(4)和式(5)所示

（5）

式中，hcs為燃料電池電堆氫耗率，hcE為燃料電池發(fā)動機(jī)氫耗率，m為氫氣流量，S為電堆功率，E為系統(tǒng)功率。

通過對比燃料電池電堆/系統(tǒng)氫耗率及氫流量隨電流變化曲線，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)國際和國內(nèi)主流品牌電堆整體氫耗率水平較低（國內(nèi)主流電堆氫耗率最低），較為節(jié)能，但電堆耗氫率隨電流增加而顯著增大；國際背景合資企業(yè)的電堆氫耗率較高，但平穩(wěn)維持在55～60 g/kW·h的水平，說明其氫耗對于電堆動態(tài)拉載適應(yīng)性較好。國際主流品牌系統(tǒng)耗氫率隨電流增大而顯著增加，在氫流量與其它系統(tǒng)相近的情況下，應(yīng)該是系統(tǒng)功率輸出顯著下降導(dǎo)致的，國內(nèi)主流品牌系統(tǒng)也存在相似問題；國際背景合資企業(yè)的系統(tǒng)氫耗率平穩(wěn)維持在60～65 g/kW·h的水平，說明其系統(tǒng)氫耗的動態(tài)穩(wěn)定性較好。

在此基礎(chǔ)上，利用AHP層次分析法進(jìn)行綜合性能評定打分。本文設(shè)置燃料電池發(fā)動機(jī)綜合性能為目標(biāo)層。目標(biāo)層分為穩(wěn)態(tài)性能、起動性能、動態(tài)性能和安全性能4個準(zhǔn)則層指標(biāo)。準(zhǔn)則層又分為發(fā)動機(jī)額定功率、額定工況/常用工況效率、額定功率密度、噪聲、額定功率啟動時間、怠速冷/熱啟動時間、動態(tài)響應(yīng)時間、絕緣性、氣密性，電堆最大功率密度、最大氫氣利用率等指標(biāo)層指標(biāo)，并根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和專家意見設(shè)置準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重。得到的國際主流制造商、國際背景合資企業(yè)和國內(nèi)主流綜合性能評分如圖7所示，國際主流制造商產(chǎn)品依然獲得了最高的評分，主要原因在于其高功率密度（權(quán)重值較高）、優(yōu)異的額定功率拉載性能（權(quán)重值較高）、良好的動態(tài)性能和較好的氣密性，這也是國內(nèi)同類產(chǎn)品的軟肋。國內(nèi)主流制造商在啟動性能上表現(xiàn)最好，但由于其在動態(tài)響應(yīng)能力和氣密性上得分過低，導(dǎo)致加權(quán)后的綜合性能得分最低。

圖7 燃料電池發(fā)動機(jī)綜合性能評分

3 結(jié) 論

本文基于國家級檢測中心的公告及委托試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，選取典型30kW級系統(tǒng)試驗(yàn)樣本，進(jìn)行了電堆極化特性曲線、功率/效率-電流曲線，燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)功率/效率-電流曲線、輔助系統(tǒng)功率/功率因子-電流曲線，燃料電池電堆氫耗率/系統(tǒng)氫耗率/氫流量-電流曲線的對比分析，并最終根據(jù)AHP層次分析法進(jìn)行了燃料電池發(fā)動機(jī)的綜合性能評價，結(jié)論如下：

（1）通過對比極化特性曲線、功率和效率，得出國內(nèi)30 kW級電堆和系統(tǒng)的電性能與國外進(jìn)入中國市場的同類商業(yè)化產(chǎn)品已處于同一水平，甚至更好；

（2）由于氫能燃料電池汽車商業(yè)化處于初級階段，國際和國內(nèi)主流企業(yè)均存在其輔助系統(tǒng)核心部件（空壓機(jī)、氫循環(huán)泵等）選型不理想的問題，影響了整體的系統(tǒng)輸出，需要進(jìn)一步優(yōu)化；國際背景合資企業(yè)通過吸收國內(nèi)外技術(shù)，獲得了更好的系統(tǒng)配置和穩(wěn)定性，但其功率、效率整體水平偏低，氫耗水平偏高的劣勢仍有待完善；

（3）綜合評價上，國際主流制造商產(chǎn)品依然獲得了最高評分，主要原因在于其高功率密度（權(quán)重值較高）、優(yōu)異的額定功率拉載性能（權(quán)重值較高）、良好的動態(tài)性能和較好的氣密性，這也是國內(nèi)同類產(chǎn)品的軟肋；通過多種試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)系統(tǒng)在技術(shù)成熟度上基本處在TRL3-TRL4級試驗(yàn)樣機(jī)階段，如果加上環(huán)境適應(yīng)性（耐溫、耐濕、鹽霧、IP防護(hù)等）、可靠性、EMC等對比指標(biāo)，將會更加落后于處在TRL8-TRL9級的成熟的國際主流商業(yè)化產(chǎn)品。

綜上，國內(nèi)企業(yè)在完成技術(shù)積累和政策利好的前提下，30 kW級燃料電池商業(yè)化系統(tǒng)已經(jīng)具備了整車應(yīng)用的良好基礎(chǔ)，隨著國內(nèi)氫燃料電池商業(yè)化迅猛發(fā)展及合資引進(jìn)技術(shù)，也逐步縮小了與國外先進(jìn)水平的差距，并有望依托國內(nèi)市場優(yōu)勢重新定義國際燃料電池汽車市場格局。

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A comparative study on typical 30kW PEMFC engine performances evaluation

PEI Fenglai1, 2, 3

(1Shanghai Motor Vehicle Inspection Certification & Tech Innovation Center Co. Ltd., Shanghai 201805, China;2National Center of Supervision and Inspection on Motor Vehicle Products Quality (Shanghai), Shanghai 201805, China;3National Center of Supervision and Inspection on New Energy Motor Vehicle Products Quality, Shanghai 201805, China)

Based on the abundant database of nationalthird-party vehicle detection institutioncovering entire vehicle, system and core components, the paper comparatively studied the performances and give a comprehensive evaluation of typical 30 kW PEMFC commercial systems from international mainstream manufacturer, joint venture with internationaltechnical background and domestic mainstream manufacturer. A series of comparative studies were carried out, which includes-curve, FCS power and efficiency, FCE power and efficiency, BOP power and power factor, hydrogen consumption rate and flux. The results provide the necessary reference for related technology development and industrialization.

PEMFC; engine performance; evaluation; comparative study

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0046

TM 911

A

2095-4239（2018）03-0519-05

2018-03-27；

2018-04-12。

上?？莆蒲杏?jì)劃項(xiàng)目（16DZ1120102）。

裴馮來（1983—），男，博士，主要從事新型車輛動力系統(tǒng)、氫燃料電池系統(tǒng)測評及故障診斷方法、數(shù)字信號處理、傳感器與電子儀器、BMS測試評價等方面的研究，E-mail：fenglaip@smvic.com.cn。