動態(tài)耐久工況下燃料電池系統(tǒng)電性能及安全性試驗研究

張曉鵬 吳鵬 張斌 吳海文 劉浪

摘 ?要：電性能是燃料電池系統(tǒng)核心指標，安全性是燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用的前提，目前燃料電池系統(tǒng)再動態(tài)應(yīng)用工況下電性能及安全性測試研究相對較少。本文基于動態(tài)循環(huán)工況，針對車載燃料電池系統(tǒng)開展臺架耐久試驗，通過采集燃料電池的電、流電壓、氫氣流量、絕緣電阻及氣密保壓時間，分析耐久試驗前后燃料電池系統(tǒng)電性能、安全性變化趨勢。

關(guān)鍵詞：燃料電池系統(tǒng)；動態(tài)工況；電性能；安全性

中圖分類號：TM911.42 ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2023）04-0002-06

The Experimental Study on Electrical Performance and Safety of Fuel Cell System under Dynamic Endurance Condition

ZHANG Xiao-peng1，WU Peng1， Zhang Bin1，Wu Hai-wen2，Liu Lang1

（ 1. National Automobile Quality Inspection and Test Center （Xiangyang）， Xiangyang 441004， China; 2. China Certification & Accreditation Institute， Beijing 100013， China ）

Abstract：Electrical performance is the core index of fuel cell system， and safety is the premise of fuel cell system application. But at present， the electrical performance and safety testing of fuel cell system under redynamic application condition are relatively few. In this paper， the vehicular fuel cell system was tested based on the dynamic cycling condition. Data such as current and voltage of the stack， the system efficiency， gas tightness and the hydrogen emission were collected. And the durability of fuel cell system was analyzed in three dimensions， electrical property， efficiency and safety.

Key Words：Fuel Cell System；Dynamic Cycling Condition；Electrical Performance；Safety

前 ? ?言

隨著國家“雙碳”[1，2]目標的提出，在交通領(lǐng)域燃料電池因其零排放、長續(xù)航及加注速率快等特點而逐步受到研究者的青睞。目前制約燃料電池大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的兩大痛點是成本和耐久性[2]。隨著催化劑鉑載量的下降及零部件的規(guī)?；a(chǎn)，燃料電池成本逐漸下降，因此，耐久性逐漸成為技術(shù)人員的研究熱點。

因耐久性試驗周期長、費用高，國內(nèi)對車載級燃料電池系統(tǒng)的耐久性研究相對較少。襄陽達安汽車檢測中心有限公司即國家汽車質(zhì)量檢驗檢測中心、國家燃料電池汽車檢驗檢測中心在車載級燃料系統(tǒng)耐久測試方面有長達6000h的測試經(jīng)驗。本文將對相關(guān)的測試方法及結(jié)果分析進行介紹。

1 ? ?耐久測試與評價方法

1.1 ? 測試工況

在實際車載運行過程中，燃料電池經(jīng)歷啟停、空載、滿負荷、連續(xù)加減載及過載等運行工況，長周期運行會導(dǎo)致燃料電池核心部件MEA膜電極的質(zhì)子交換膜出現(xiàn)不可逆降解[3]，Pt基催化劑的溶解及團聚[4]，催化劑碳載體的腐蝕結(jié)構(gòu)塌陷等[5]。MEA的材料老化和微觀結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致其催化性能衰減從而導(dǎo)致燃料電池性能的衰減甚至失效。

目前，耐久性的測試工況分為穩(wěn)態(tài)法[6]和動態(tài)法[7～8]，穩(wěn)態(tài)法即燃料電池在恒定的功率下運行，考核燃料電池系統(tǒng)運行一段時間后性能衰減情況，動態(tài)法指的是在臺架上模擬車輛實際運行過程功率隨載荷變化，包含開路、啟停、怠速、額定、過載、加減載、勻速等工況，動態(tài)法相對于穩(wěn)態(tài)法更貼近燃料電池系統(tǒng)實際應(yīng)用場景，因此多用動態(tài)工況對燃料電池系統(tǒng)耐久進行驗證。

為更真實的考核燃料電池的耐久性，目前主流測試方法采用將車速工況轉(zhuǎn)化為燃料電池電流或功率工況[9～11]，如表1中的IEC工況將新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle， NEDC ）車速-時間曲線轉(zhuǎn)化為燃料電池輸出功率-時間曲線；DOE工況將美國SC03行駛工況的車速曲線對應(yīng)轉(zhuǎn)化為燃料電池的功率曲線；同濟大學(xué)在NEDC工況基礎(chǔ)上增加了過載工況；清華大學(xué)在基于中國城市公交循環(huán)工況（CCBC）將的車速—時間曲線轉(zhuǎn)為電流—時間曲線。

在各個測試工況中，包含啟停、開路/怠速、額定及過載等功率段，同樣可以根據(jù)可靠性驗證需求對各個功率段占比進行調(diào)整。

1.2 ? 測試評價標準

國內(nèi)燃料電池評價測試標準已經(jīng)逐步完善，隨著燃料電池汽車的示范運營及商業(yè)化的推廣，對燃料電池耐久性的統(tǒng)一測試評價標準的需求日益迫切，如表2所示，相關(guān)標準中涵蓋對膜電極、電堆、系統(tǒng)及輔助部件（空壓機、氫循環(huán)泵）等主要核心部件性能及耐久測試評價。

其中關(guān)于氫氣循環(huán)泵、電堆及系統(tǒng)的耐久測試標準尚未發(fā)布，現(xiàn)有的系統(tǒng)耐久測試標準中更加關(guān)注安全性及電堆衰減測試，缺少對系統(tǒng)的經(jīng)濟性及動力性的測試評價。對于燃料電池在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，需要制定涵蓋零部件至系統(tǒng)全領(lǐng)域耐久性測試評價標準法規(guī)體系。

2 ? ?耐久試驗

通過改變?nèi)剂想姵叵到y(tǒng)臺架電子負載實現(xiàn)系統(tǒng)不同輸出功率，將啟停、變載、額定功率等編制成為循環(huán)程序，通過臺架控制系統(tǒng)給燃料電池發(fā)送指令，實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)臺架運行循環(huán)工況，對燃料電池系統(tǒng)耐久性進行測試研究。

2.1 ? 耐久工況

為更真實的測試燃料電池系統(tǒng)的耐久性，采用動態(tài)工況進行測試，工況中包含了車載工況中的啟停、怠速、變載、額定等工況，1個工況循環(huán)為30min，怠速占比10.%，額定工況占比39.4%。

2.2 ? 試驗方法

測試臺架為燃料電池系統(tǒng)提供運行必要的氫氣及散熱，每100小時進行極化曲線性能復(fù)測一次，對被測樣件的氣密性及氫排放濃度試驗前后進行檢測。測試期間對試驗室頂部氫氣濃度及被測樣件的絕緣阻值進行24小時不間斷檢測。

2.3 ? 數(shù)據(jù)采集

對燃料電池系統(tǒng)整個耐久測試運行過程中的電堆電流、電壓、氫氣消耗量、絕緣阻值、冷卻液電導(dǎo)率等進行檢測，設(shè)備清單如表4所示。

3 ? ?結(jié)果與討論

通過對燃料電池發(fā)動機按圖1所述耐久工況進行1000h耐久測試，對發(fā)動機的電流、電壓、氫氣流量、絕緣阻值、電堆單片電壓及發(fā)動機故障等進行跟蹤記錄，對燃料電池系統(tǒng)的電性能、效率、安全性等進行分析評價。

3.1 ? 電性能

燃料電池作為發(fā)電裝置，電性能是其核心指標，通過對比不同運行時間的電堆極化曲線（圖2），可以看出耐久試驗過程中，電堆的電能能出現(xiàn)明顯下降，同等電流密度下電壓出現(xiàn)不同程度的衰減。通過額定功率下電堆的最低單片電壓（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，電堆的最低單片電壓呈現(xiàn)先降低再爬升后逐步降低的趨勢，試驗結(jié)束后與初始值相比下降5.59%。

燃料電池系統(tǒng)電性能的衰減主要是由于在運行過程中電堆內(nèi)部出現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成變化。電堆內(nèi)部催化反應(yīng)會出現(xiàn)高酸度、高氧濃度、高電位、高溫和高濕度等工作條件[12～13]，而動態(tài)工況下電堆內(nèi)部反應(yīng)條件復(fù)雜多變，電堆的電性能會因催化劑顆粒團聚遷移、粒徑變大、碳載體腐蝕[3～5]等造成有效催化面積減少，電性能出現(xiàn)衰減。主要表現(xiàn)在電堆在同等電流密度下的電壓下降，電堆的單片電壓下降，系統(tǒng)層面表現(xiàn)為系統(tǒng)功率的下降（圖4）。而電堆單片最低電壓出現(xiàn)降低后爬升的趨勢主要是由于前期電堆的活化不充分，催化劑顆粒表面附著雜質(zhì)，氣體擴散層傳質(zhì)通道不通暢[14]，運行一段時間后，達到最佳活化狀態(tài)，電壓出現(xiàn)爬升。而后隨著運行時間的延長出現(xiàn)不可逆的衰減。

電堆電性能衰減表現(xiàn)在系統(tǒng)層面為同等操作條件下功率下降，如圖4中，在額定功率電流密度下耐久試驗前后系統(tǒng)的功率下降了6.01%。

3.2 ? 效率特性

燃料電池的效率直接決定在車載運行下的燃料經(jīng)濟性，為研究其效率隨時間的變化，在耐久測試過程中每100小時進行一次性能復(fù)測，分別取怠速功率、60%PE、100%PE三個功率段下的電堆效率及系統(tǒng)效率進行分析。如圖5所示，在三個功率段下電堆的效率均出現(xiàn)下降，下降程度分別為3.71%、3.94%及6.92%。隨著功率增加電堆效率下降趨勢愈加明顯，這主要是由于功率上升后電堆的工作電流密度升高，電堆內(nèi)部的活化極化、歐姆極化及濃差極化愈加明顯，催化效率下降，從而導(dǎo)致效率下降隨功率增加而增加的趨勢。

燃料電池系統(tǒng)效率主要由兩部分決定：1、電堆的催化效率；2、系統(tǒng)輔助部件的效率，如空壓機、氫循環(huán)系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)等。如圖6所示，怠速功率、60%PE及100%PE三個功率段的平均效率分別是50.37%、48.18%、42.66%，隨著功率升高效率明顯下降。不同功率段系統(tǒng)效率隨時間變化不同，試驗前后的衰減率分別為0.84%、3.10%、0.66%。在怠速功率下，電堆處于低電流密度，極化損耗相對較小，系統(tǒng)輔助部件處于低功率運轉(zhuǎn)，此功率段下電堆效率及BOP效率衰減不明顯，因此系統(tǒng)效率變化相對較小。而額定功率下，系統(tǒng)輔助部件均處于高負荷運轉(zhuǎn)， BOP效率對系統(tǒng)效率的影響大于電堆效率的影響，額定功率下BOP效率在試驗前后變化不明顯，因此額定功率下系統(tǒng)的效率試驗前后變化不明顯。

3.4 ? ?安全性

安全性是制約燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用的瓶頸之一，氫氣易燃易爆屬性以及燃料電池系統(tǒng)大電流直流電應(yīng)用場景易引起“氫”、“電”耦合失效風險。為驗證試驗前后燃料電池系統(tǒng)的安全性能衰減情況，分別對冷卻液電導(dǎo)率、系統(tǒng)正負及對地絕緣阻值、以及陽極流道氣密性、尾氣氫排放濃度進行測試分析。

如圖7所示，冷卻液電導(dǎo)率隨試驗時間延長升高達175.10%，主要是由于在長時間的高溫運行下，冷卻液與冷卻系統(tǒng)管道、電堆雙極板等金屬部件接觸，金屬離子析出從而導(dǎo)致電導(dǎo)率逐步升高。冷卻液電導(dǎo)率升高同時對系統(tǒng)的絕緣性產(chǎn)生影響，如圖8所示，系統(tǒng)的正負極絕緣試驗前后分別出現(xiàn)5.67%、5.83%的衰減。圖8所示，試驗前后對陽極流道進行保壓試驗，保壓測試顯示，壓力下降值升高45.16%，說明質(zhì)子交換膜及電堆的密封組件出現(xiàn)一定程度的老化降解，導(dǎo)致氣密性出現(xiàn)明顯下降。

此外，試驗前后分別對完整的耐久工況下燃料電池系統(tǒng)尾氣排放中的氫濃度進行檢測對比，如圖9～10所示，尾排濃度峰值出現(xiàn)在開機啟動及關(guān)機吹掃環(huán)節(jié)，耐久試驗前后尾氣排放氫濃度無明顯變化。燃料電池系統(tǒng)采用氫氣循環(huán)系統(tǒng)對氫氣進行循環(huán)利用，通過控制系統(tǒng)對尾排閥進行開啟關(guān)閉控制來實現(xiàn)氫氣的脈沖排放，同一工況條件下燃料電池系統(tǒng)氫氣排放濃度主要與尾排閥開啟頻率及開啟時長有關(guān)，電堆未出現(xiàn)致命故障前提下，尾氣排放濃度僅與控制策略有關(guān)。因此試驗前后氫排放濃度未出現(xiàn)較大差異。

4 ? ?結(jié)論

基于動態(tài)工況對55kW質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)進行1000h耐久測試，分別從電性能、效率特性及安全特性三個維度對燃料電池系統(tǒng)各項指標進行評價與分析。

結(jié)果表明，耐久試驗前后電堆及系統(tǒng)的電性能均出現(xiàn)衰減，在額定功率電流密度下電堆的最低單片電壓下降5.59%，系統(tǒng)功率下降6.01%；效率特性方面，不同功率段的電堆效率均出現(xiàn)下降，額定功率下下降幅度最大，達到6.92%；系統(tǒng)效率則表現(xiàn)為怠速及額定功率下耐久前后效率變化較小，60%PE功率變化較大；安全特性方面，耐久試驗前后冷卻液電導(dǎo)率升高175.10%，正負極對地絕緣分別下降5.67%、5.83%，陽極流道保壓測試壓力下降值升高45.16%，尾氣氫濃度試驗前后無明顯變化。

本文為燃料電池系統(tǒng)耐久性研究提供了一種測試評價方法依據(jù)，對提升燃料電池系統(tǒng)的耐久性及安全性具現(xiàn)實意義，有助于燃料電池系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

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