商用車用燃料電池堆耐久性測試方法概述

趙鑫，陳光,馬明輝

1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300300;3.中汽研新能源汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300300

0 引言

近年來，我國燃料電池汽車發(fā)展以商用車為主，燃料電池商用車的實(shí)際使用環(huán)境與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車型相比，其運(yùn)行線路、?？?停放地點(diǎn)較為固定，主要顧客群更集中，且壽命至少要達(dá)到10 000 h以上才能滿足使用要求。在研發(fā)過程中，由于燃料電池汽車的動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車相比存在本質(zhì)差異，其設(shè)計(jì)方法與評價(jià)指標(biāo)也有所不同，因此需開展各核心系統(tǒng)的耐久性測試。

在商用車用燃料電池堆耐久性測試試驗(yàn)中，試驗(yàn)工況的合理性是影響測試結(jié)果可靠性的重要因素之一。文中以商用車用燃料電池堆為研究對象，首先介紹了商用車用燃料電池堆的發(fā)展現(xiàn)狀；其次概述了商用車用燃料電池堆的性能衰減因素；最后總結(jié)了幾種常用的車用燃料電池耐久性測試工況，在此基礎(chǔ)上對商用車用燃料電池堆耐久性測試工況進(jìn)行了展望。

1 商用車用燃料電池堆發(fā)展現(xiàn)狀

目前，質(zhì)子交換膜燃料電池已成為我國燃料電池商用車動力系統(tǒng)的主要技術(shù)路線。經(jīng)過多年發(fā)展，形成了一批燃料電池堆及燃料電池系統(tǒng)企業(yè)。目前，億華通產(chǎn)品的電堆功率密度可達(dá)到2.0 kW/L，耐久性可達(dá)到8 000 h，可以在-30 ℃下冷啟動，-40 ℃下低溫存儲，且已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。上海捷氫自主研發(fā)的新一代大功率燃料電池堆的關(guān)鍵性能指標(biāo)已達(dá)到國際先進(jìn)水平，應(yīng)用范圍可涵蓋乘用車和商用車。上海重塑旗下的CAVEN系列燃料電池系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于車用領(lǐng)域，CAVEN 3、CAVEN 4、CAVEN 7等產(chǎn)品的額定功率為30～60 kW，壽命可達(dá)12 000～15 000 h，CAVEN 7ex的額定功率為80 kW，壽命可達(dá)15 000 h以上?，F(xiàn)如今，燃料電池技術(shù)在商用車領(lǐng)域的真正推廣，仍需進(jìn)一步提高燃料電池的功率，提升系統(tǒng)效率，提升電電混合程度，加強(qiáng)關(guān)鍵材料和零部件技術(shù)攻關(guān)。

2 商用車用燃料電池堆性能衰減因素

商用車用燃料電池堆的性能衰減因素大致分為以下4類：①設(shè)計(jì)及工藝因素。多為設(shè)計(jì)、制造和裝配過程中出現(xiàn)的不合理因素。②材料因素。指材料本身屬性所引起的性能衰減。③健康因素。指運(yùn)行過程中水熱管理(水淹、膜干、溫度過高)或氣體管理(缺氣)導(dǎo)致的性能衰減。④運(yùn)行因素。主要受反應(yīng)氣純度、運(yùn)行工況(開路、怠速、低溫冷啟動等)、路面條件等的影響。上述因素可能導(dǎo)致燃料電池堆的質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層、雙極板以及密封組件五大部件的性能衰減。例如，頻繁的啟停會導(dǎo)致催化劑碳載體腐蝕，引起催化層性能衰減；怠速工況引起的質(zhì)子交換膜分解、蠕變、開裂等機(jī)械衰減，會導(dǎo)致質(zhì)子交換膜性能下降；反復(fù)加減載導(dǎo)致的電位循環(huán)容易引起催化劑鉑顆粒粗大化，造成催化層性能衰減；過載工況將加速質(zhì)子交換膜、催化劑以及載體的衰減。

3 車用燃料電池堆耐久性測試工況

一直以來，由于耐久性試驗(yàn)昂貴費(fèi)時，國內(nèi)對燃料電池堆的耐久性研究較少。近年來，鑒于研究的緊迫性，許多機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)耐久性試驗(yàn)。燃料電池堆耐久性測試方法主要分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法是指在恒定電流密度(或電壓)下運(yùn)行電池，記錄電壓(或電流)及性能的變化。2002年，AHN等進(jìn)行了電堆穩(wěn)態(tài)耐久性測試。2004年，KNIGHTS等完成了12 000 h的燃料電池穩(wěn)態(tài)耐久性實(shí)驗(yàn)，其性能衰減率為0.5 μV/h。利用穩(wěn)態(tài)法得到的燃料電池耐久性測試結(jié)果較好，然而并不能用來表征車載條件下的燃料電池耐久性，在汽車運(yùn)行環(huán)境中，燃料電池要經(jīng)歷多種運(yùn)行工況的變化。

動態(tài)法是指車輛實(shí)際運(yùn)行過程中，燃料電池堆輸出功率隨載荷變化的過程，該過程會引起缺氣和電壓頻繁變化，造成燃料電池堆的衰減。汽車運(yùn)行過程中燃料電池堆主要經(jīng)歷開路、啟停、怠速、額定、過載、加減載、勻速等工況，不同工況間的變化會引起電堆的變載，因此變載工況下電堆的耐久性測試成為近年來的研究熱點(diǎn)。2009年，陸鑫等用怠速穩(wěn)定性、變工況加載、循環(huán)變工況加載穩(wěn)定性等集合制定的測試工況進(jìn)行車況條件下的壽命測試。2010年，侯中軍等利用自制的測試工況進(jìn)行了1 000 h燃料電池堆的壽命測試。

下面介紹幾種常用的車用燃料電池堆耐久性測試工況。

(1)IEC標(biāo)準(zhǔn)耐久性測試工況

IEC標(biāo)準(zhǔn)車用燃料電池堆耐久性試驗(yàn)工況由市區(qū)循環(huán)和市郊循環(huán)組成，包括啟停、怠速、加減載、額定以及勻速行駛等日常行駛中的常見工況，開路、低載和怠速工況占比41.4%，額定工況占比3.7%，工況循環(huán)一次時長為1 180 s。該工況功率分布范圍廣，其中在動態(tài)循環(huán)工況部分功率跨度從5% PE(燃料電池堆額定功率)到100% PE，各功率占比時間合理，但缺少過載這一典型工況。

(2)DOE耐久性測試工況

DOE車用燃料電池堆耐久性測試工況具有高速度和高加速度特點(diǎn)，最高車速為129.2 km/h，平均車速為77.9 km/h，包含怠速、加減載、勻速和額定等常見工況，開路、低載和怠速工況占比30.0%，額定工況占比9.7%，過載工況占比5.6%，循環(huán)一次時長為360 s。該工況包括了所有作為車用燃料電池堆衰減主要原因的4個典型工況，功率跨度大且各功率點(diǎn)時間占比合理，但常用功率點(diǎn)過少。

(3)HYZEM耐久性測試工況

HYZEM車用燃料電池堆耐久性測試工況由市內(nèi)循環(huán)、市郊循環(huán)和高速循環(huán)3個部分組成，平均速度40.4 km/h，平均加速度0.71 m/s，最大加速度1.3 m/s，包括怠速、啟停、加減載等常見工況，工況循環(huán)一次時長為540 s。該工況特點(diǎn)鮮明，比NEDC工況代表了更多的駕駛工況，且穩(wěn)定速度部分要少很多，電流點(diǎn)分布合理，但缺少勻速行駛工況。

(4)同濟(jì)大學(xué)耐久性測試工況

同濟(jì)大學(xué)車用燃料電池堆耐久性測試工況包含怠速、額定、啟停、加減載以及勻速等常見工況，開路、低載和怠速工況占比37.9%，過載工況占比2.4%，額定工況占比9.2%，各工況占比時間合理，工況循環(huán)一次時長為1 200 s。該工況包括了所有作為車用燃料電池堆衰減主要原因的4個典型工況，其中在動態(tài)循環(huán)工況部分功率跨度從8% PE到120% PE，且包含了過載工況，功率分布范圍更大。

(5)清華大學(xué)耐久性測試工況

清華大學(xué)車用燃料電池堆耐久性測試工況由怠速、低速、勻速、中速和高速等14個工況構(gòu)成，開路、低載和怠速工況占比28.3%，額定工況占比51.7%，過載工況占比3.3%，最高車速60 km/h，平均車速16.1 km/h，最大加速度1.543 m/s，工況循環(huán)一次時長為60 min。該工況具有國內(nèi)公交車日常行駛的特點(diǎn)，包含了導(dǎo)致車用燃料電池堆衰減的4個典型工況；動態(tài)循環(huán)工況中電流跨度從3.7% IE(額定功率點(diǎn)對應(yīng)的額定電流)到120% IE，各功率點(diǎn)時間占比均勻，符合公交車實(shí)際運(yùn)行時的功率分布，但額定功率部分時間占比較大。

4 結(jié)論

商用車用燃料電池堆耐久性測試工況的合理性是影響測試結(jié)果可靠性的關(guān)鍵因素之一。文中以商用車用燃料電池堆為研究對象，首先，介紹了商用車用燃料電池堆的發(fā)展現(xiàn)狀，我國現(xiàn)已初步掌握了燃料電池堆和關(guān)鍵材料等的配套研發(fā)體系。其次，概述了燃料電池堆的性能衰減因素，主要包括設(shè)計(jì)及工藝因素、材料因素、健康因素以及運(yùn)行因素。最后，總結(jié)了幾種常用的車用燃料電池耐久性測試工況特征。

在此基礎(chǔ)上對商用車用燃料電池堆耐久性測試工況進(jìn)行了展望：① 進(jìn)一步研究商用車用燃料電池堆的性能衰減因素；② 建立商用車用燃料電池堆耐久性測試方法。