郭溫文 李劍錚

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

主題詞：氫燃料電池發(fā)動機 耐久 試驗方法 數據分析

1 前言

氫燃料電池電動汽車與純電動汽車相比，具有加注燃料時間短、續(xù)駛里程長、低溫環(huán)境下性能好、對環(huán)境更友好[1]等優(yōu)勢。但是，氫燃料電池發(fā)動機的壽命是制約其大規(guī)模商業(yè)化推廣的重要原因之一?？茖W的壽命和可靠性測試評價體系是提高氫燃料電池發(fā)動機效率、延長壽命的重要保證。

目前，氫燃料電池發(fā)動機的耐久性試驗方法尚未形成統(tǒng)一標準。同時，氫燃料電池發(fā)動機的部件種類和數量較多，且各零部件的評價指標不同，因此很難通過某種耐久工況對所有部件進行壽命考核。故在制定氫燃料電池發(fā)動機耐久試驗方法時，仍以考查氫燃料電池電堆壽命為主。

本文旨在通過對標國內外相關機構的氫燃料電池發(fā)動機耐久工況，依托氫燃料電池系統(tǒng)測試臺架，研究并制定基于整車實際應用工況且易操作的氫燃料電池發(fā)動機耐久試驗方法，采用該方法進行耐久試驗，并對試驗數據進行分析，以期為氫燃料電池發(fā)動機耐久測試提供參考。

2 氫燃料電池發(fā)動機測試評價體系

目前，國內氫燃料電池的測試評價體系主要包括對氫燃料電池發(fā)動機及電堆的基本性能、安全性、氫氣排放量、環(huán)境適應性的評價等[2]，而可靠性、耐久性方面的標準還很少。值得指出的是，氫燃料電池發(fā)動機和傳統(tǒng)內燃機在結構組成及系統(tǒng)運行機理上有較多相似之處，因此傳統(tǒng)內燃機的測評體系可作參考。

目前關于電堆壽命測試方法的國家標準僅有GB∕T 38914—2020《車用質子交換膜燃料電池堆使用壽命測試評價方法》，而氫燃料電池發(fā)動機的耐久試驗方法剛剛立項。

國內對于內燃機在臺架上的可靠性試驗方法有GB∕T 19055—2003《汽車發(fā)動機可靠性試驗方法》，制定的試驗項目包括交變工況試驗、混合負荷試驗、全速全負荷試驗以及冷熱沖擊試驗。此外，還有搭載整車的耐久試驗方法GB∕T 12679—1990《汽車耐久性行駛試驗方法》、搭載整車的可靠性試驗方法GB∕T 12678—1990《汽車可靠性行駛試驗方法》等[3]。

3 氫燃料電池電堆耐久測試工況

國內外標準化組織、機構等推出了不同的氫燃料電池電堆耐久試驗工況。

3.1 工況介紹

GB∕T 38914—2020 主要規(guī)定了車用質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）的使用壽命測試和計算方法[4]。國際電工委員會（International Electro technical Commission，IEC）參考新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）工況，將車輛的車速-時間關系曲線轉變?yōu)槿剂想姵仉姸演敵龉β?時間的關系曲線[5]。美國能源部（United States Department of Energy，DOE）采用動態(tài)壓力測試（Dynamic Stress Test，DST）方法，使用的工況參考美國SC03行駛工況，將車速曲線轉變?yōu)殡姸央娏髑€[5]。美國車輛效率和能源可持續(xù)性研究創(chuàng)新技術團隊（U.S.Driving Research and Innovation for Vehicle efficiency and Energy sustainability Technical Team，U.S.DRIVE Technical Team）提出采用干、濕2種循環(huán)進行耐久測試，可用于氫燃料電池電堆整堆和單電池測試[5]。歐盟燃料電池測試和標準化網絡（FCTestNet）提出2種循環(huán)工況，分別對應單池測試和整堆測試，目的是在耐久工況中引入不同程度的氣體壓力。同濟大學參考NEDC工況，將車速-時間關系曲線轉換為電堆輸出功率-時間的關系曲線[6]。其與IEC方法的工況類似，但同濟大學的工況包含了過載工況，功率分布更廣泛。清華大學基于中國城市公交循環(huán)工況，將車速-時間曲線轉變?yōu)殡姸演敵鲭娏?時間曲線[7]。武漢理工大學采用的工況基于2 個原則：一方面參考實車道路典型工況，另一方面選擇對電堆壽命有顯著影響的工況[8]，在不同運行步驟下改變氣體濕度。中國科學院大連化學物理研究所采用的工況由燃料電池發(fā)動機試驗規(guī)程轉化而來，主要為穩(wěn)態(tài)工況[9]。

3.2 工況對比分析

針對上述大部分工況，統(tǒng)計各工況中電堆輸出功率占比情況[10-11]，結果如表1所示。

表1 各工況功率占比情況 %

由表1 可以看出：開路∕怠速功率的占比較大，一般為30%～50%；額定功率占比情況各工況差異較大，多為20%～50%；過載功率占比較少，一般在5%以下。對于起停工況，暫未對比。

3.3 運行狀態(tài)對電堆壽命的影響

車輛在道路上行駛時，氫燃料電池發(fā)動機可能會處于起動、怠速、大功率、變載等不同運行狀態(tài)，各狀態(tài)對燃料電池壽命的影響程度不同。

怠速工況下，電堆長時間停留在高電位，促使氣體擴散層和催化層中的碳腐蝕，并造成鉑催化劑的遷移、生長和溶解。過載工況下，電堆面臨缺氣的風險，會腐蝕陰極的雙極板及產生氫空界面，加速陰極碳載體腐蝕。變載工況下，質子膜會經歷干、濕狀態(tài)的切換，發(fā)生收縮和膨脹，造成膜壽命衰減。起停工況下，陽極產生氫空界面，導致陰極產生很高的電勢，造成陰極催化層的碳載體嚴重腐蝕，進而引起催化劑衰減[12]。

根據上述分析可知，在制定電堆耐久試驗工況時，至少應包括怠速、大功率、變載、起停等工況，從而可以驗證車輛常用工況對電堆壽命的影響程度。

4 氫燃料電池發(fā)動機耐久試驗方法研究

4.1 整車耐久試驗

在整車層面，一方面，可參考國家標準開展試驗。目前，GB∕T 39132—2020中規(guī)定了整車耐久性行駛試驗方法。試驗結束后，對整車絕緣性能、氫氣泄漏和怠速尾氣排放等指標進行考核。這些指標很大程度上依賴于氫燃料電池發(fā)動機的耐久性能，因此可以從一定維度達到驗證燃料電池發(fā)動機耐久性的目的。

另一方面，可以從不同工況對氫燃料電池壽命影響的角度，制定合理的氫燃料電池功率占比，再換算為對應車速進行試驗。

由于整車試驗成本較高，本文將重點依托氫燃料電池發(fā)動機測試臺架開展研究。

4.2 臺架耐久試驗

4.2.1 工況制定思路

對于工況循環(huán)耐久試驗來說，一方面可參考其他機構制定的燃料電池功率占比，另一方面可參考道路實車大數據中氫燃料電池輸出功率的占比情況。根據對上述2個方面的統(tǒng)計結果，本文制定的工況中氫燃料電池功率占比如表2所示。

表2 本文循環(huán)工況中氫燃料電池功率占比 %

起停耐久試驗可分為熱機起動耐久和冷機起動耐久。熱機起動模擬車輛停放較短時間（如8 h以內）的起動情況，冷機起動模擬車輛長時間（如15 h 以上）停放后，由于氫燃料電池發(fā)動機中閥門及管路的密封性差，空氣進入電堆陰極并逐漸透過質子交換膜滲透至陽極，進而在車輛起動噴氫時，陽極產生氫空界面的情況。為縮短試驗時間、快速模擬出氫空界面，可以通過控制發(fā)動機進、排氣閥門，加速氫氣消耗并使空氣快速進入陰極和陽極，從而人為制造陽極氫空界面。通過大數據云平臺對某純電動車型的調查，以每輛車全生命周期內最嚴苛的起停次數32 000 次作為起停耐久試驗的總次數。實車大數據統(tǒng)計結果顯示，長時間停放后起動的次數占比為2%，據此計算冷機起動的試驗次數。

4.2.2 試驗方法

a.設定每種耐久試驗的循環(huán)次數；

b.試驗前測試發(fā)動機氣密性、絕緣電阻和極化曲線，作為初始性能；

c.將試驗工況輸入臺架上位機，自動運行，每間隔一定的循環(huán)次數進行一次極化曲線測試，直至試驗結束；

基于BIM的框架結構智能化審圖技術擬將BIM與結構配筋圖審核技術結合起來，打破傳統(tǒng)的二維平面結構配筋圖審核模式以實現(xiàn)三維可視化審圖。該技術實現(xiàn)的途徑是：將三維結構施工圖模型轉化為Revit模型-設置項目信息-讀取施工圖-審核框架梁、柱，通過調用已經建立好的數據庫及人工輸入的相關信息來完成數據交流，最終生成審核結果。主要的步驟如圖1所示。

d.在試驗次數達到總循環(huán)次數的一半時，測試一次發(fā)動機的氣密性和絕緣電阻；

e.完成全部循環(huán)次數后，再測試一次氣密性和絕緣電阻；

f.試驗過程中需不斷用手持式檢漏儀檢測氫氣是否泄漏。

5 氫燃料電池試驗數據分析

本文試驗對象為某氫燃料電池發(fā)動機，包括氫燃料電池電堆、空氣濾清器、空壓機、增濕器、供氫總成、氣水分離器、排氫排水閥、溫度壓力傳感器以及閥門等，發(fā)動機額定功率為70 kW。

5.1 循環(huán)工況耐久數據分析

5.1.1 極化曲線

臺架循環(huán)工況耐久試驗共獲得幾十條極化曲線，數據量龐大，故每隔一定時間（如幾百小時）取一次極化曲線數據進行分析。循環(huán)工況的極化曲線如圖1所示。

圖1 循環(huán)工況的極化曲線

在前7次極化曲線測試時，各電流密度下的電壓下降情況較為一致，從第8 次開始，中大電流密度下電壓迅速下降，且在額定電流密度（1.2 A∕cm2）附近呈現(xiàn)較大的衰減。也就是說，燃料電池在經歷一定時間的耐久試驗后，其歐姆極化和傳質極化受到較大影響。推測由于變載工況下膜電極不斷膨脹和收縮變形，導致擴散層、催化層和質子交換膜之間互相分離，影響質子和電子的傳輸，造成接觸電阻變大。另外，由于怠速工況較多，高電位下擴散層和催化層中的碳受到腐蝕，催化劑發(fā)生溶解或脫落，催化性能變差。此外，擴散層的結構被破壞，影響了物質傳輸。

額定電流密度下，電壓從初始狀態(tài)的0.66 V下降至0.57 V，衰減率約為14%。

5.1.2 電壓衰減趨勢

循環(huán)工況下電壓的衰減趨勢如圖2所示。從圖2可以看出，電流密度越大，電壓衰減越顯著，且在第7次極化曲線測試后，中大電流密度下的電壓衰減越發(fā)加快。試驗結束時，額定電流密度下的電壓衰減率約為14%，而0.1 A∕cm2下的電壓衰減率僅為約5%。

圖2 循環(huán)工況下電壓衰減趨勢

5.2 起停耐久數據分析

5.2.1 極化曲線

先進行熱機起停，取7 組極化曲線進行對比，如圖3a 所示。熱機起停試驗后，氫燃料電池電壓衰減非常微小，以額定電流密度為例，電壓衰減率僅為0.08%。

熱機起停試驗后，進行冷機起停試驗，結果如圖3b所示。可以看出，每次試驗獲得的極化曲線中電堆電壓均比上一次有明顯衰減，而且各電流密度下衰減均比較嚴重。在最后一次起停后，已完全不能達到額定電流密度。

由2種起停試驗結果可知，如果車輛停車后短時間內再次起動，陰、陽極的氣體成分都能保持在關機時的狀態(tài)，因此熱機起停對燃料電池性能及壽命的影響較小。但是，若車輛長時間停放，空氣進入陰極并緩慢滲透至陽極后，則會在陽極產生氫空界面，此時起動燃料電池發(fā)動機，陰極會產生高電勢，腐蝕催化層碳載體，進而造成陰極的電極結構塌陷、催化劑脫落、團聚或溶解，嚴重影響氣體傳輸和催化性能，導致燃料電池發(fā)動機壽命大幅衰減。

5.2.2 電壓衰減趨勢

熱機起停工況下，電堆的電壓衰減微小，因此重點關注冷機起停試驗中的電壓衰減情況，如圖4所示。由圖4可知，4種電流密度下，電壓衰減的趨勢與工況循環(huán)耐久試驗結果趨勢相似，都為隨著電流密度增大，電壓衰減也越嚴重，且在試驗進程的后半段，額定電流密度下衰減急劇增加。額定電流密度下，在進行至最后一次極化曲線時，電壓衰減率達到21%，超過氫燃料電池壽命衰減考核指標（20%），試驗結束。而此時0.1 A∕cm2電流密度下的電壓衰減率僅為約4%。

圖4 起停工況電壓衰減趨勢

6 結束語

本文通過對比分析各機構的氫燃料電池電堆耐久測試工況，結合實車功率需求，制定了一種氫燃料電池發(fā)動機耐久性測試方法，并根據提出的方法開展試驗，分析了氫燃料電池電堆性能的衰減情況，得到以下結論：

a.整車行駛工況是影響氫燃料電池發(fā)動機壽命的至關重要的因素之一，在制定車輛控制策略時，應著重從整車行駛工況出發(fā)。

b.大電流密度對應的電壓更容易衰減，說明膜電極的傳質功能對電堆的壽命影響很大。

c.車輛長時間停放后的起動會產生高電位，嚴重影響氫燃料電池發(fā)動機的壽命。因此，需提升氫燃料電池系統(tǒng)的氣密性，也可以采用車輛停放一定時間后對氫燃料電池發(fā)動機進行吹掃的策略，消除氫空界面的產生。

d.氫燃料電池發(fā)動機臺架耐久試驗在一定程度上可以取代氫燃料電池搭載整車的試驗，降低成本。

e.現(xiàn)有的氫燃料電池發(fā)動機耐久測試方法大多將怠速、大功率、變載和起停工況進行組合，規(guī)定各工況的占比和運行時間，試驗結束后若電堆衰減率小于壽命考核指標，則認為電堆壽命目標達成。GB∕T 38914—2020 提出分別對電堆進行各工況下的測試，完成規(guī)定的循環(huán)后，通過公式計算電堆在相應工況下的衰減率，再推算電堆的壽命。每種方法各有利弊，目前都不能達到綜合評估的目的。

未來，可進一步研究氫燃料電池發(fā)動機耐久性的影響因素及影響機理，并開展定量研究。在此基礎上，進一步結合更多的系統(tǒng)及整車運行數據，制定更為科學的氫燃料電池發(fā)動機耐久性評價體系及試驗方法。