袁潤州, 石 霖, 裴馮來

(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)

燃料電池汽車由于具有續(xù)航里程長、清潔無污染等優(yōu)點而受到各界關(guān)注。目前，燃料電池汽車的發(fā)展主要受到制造與推廣成本及核心部件使用壽命等因素的限制。其中，燃料電池汽車總體成本較高的問題正隨著質(zhì)子交換膜燃料電池的膜電極中鉑載量的不斷降低而逐漸得到改善；而燃料電池汽車的核心部件燃料電池系統(tǒng)的使用壽命也隨著其設(shè)計制造水平和控制策略的提高和優(yōu)化而得到明顯提升。除此以外，氫安全問題也是影響燃料電池在汽車及其他領(lǐng)域的多種應(yīng)用發(fā)展的重要因素之一。氫能是一種來源廣泛、清潔無碳且應(yīng)用場景豐富的二次能源，是實現(xiàn)交通運(yùn)輸、工業(yè)等領(lǐng)域脫碳的最優(yōu)選擇，但氫氣也具有易燃、易爆、易擴(kuò)散等特點。燃料電池汽車在其啟停和運(yùn)行的過程中，由于對氫氣的利用無法達(dá)到100%，會通過排氣管排出一定量的氫氣。氫氣排放是燃料電池汽車及其關(guān)鍵零部件一項重要的參數(shù)，既反映了經(jīng)濟(jì)性，也關(guān)系到安全性。目前國內(nèi)有兩項氫氣排放相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，試驗對象分別是燃料電池發(fā)動機(jī)和燃料電池電動汽車，主要的試驗項目是通過計算得到燃料電池氫氣排放量，并提供了試驗方法和數(shù)據(jù)處理方法，但并未提出判定要求和適合用于對比的性能參數(shù)，使得標(biāo)準(zhǔn)在實際應(yīng)用時存在一些不便。本文基于國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，主要是兩項現(xiàn)行的推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)，對燃料電池發(fā)動機(jī)及整車的氫氣排放試驗項目作用及數(shù)據(jù)處理方法的問題進(jìn)行研究，為燃料電池發(fā)動機(jī)及整車的氫氣排放的試驗應(yīng)用提供思路。

1 標(biāo)準(zhǔn)分析

1.1 《燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣排放測試方法》(GB/T 34593-2017)

1.1.1 數(shù)據(jù)處理分析

《燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣排放測試方法》(GB/T 34593-2017)中主要采集的數(shù)據(jù)有氫氣流量、燃料電池堆電壓、燃料電池堆電流等。數(shù)據(jù)處理依照標(biāo)準(zhǔn)附錄A提供的方法進(jìn)行燃料電池堆實際氫耗量、燃料電池堆理論氫耗量、氫氣排放量和氫氣排放率的計算[1]。相關(guān)計算公式如式(1)：

燃料電池堆實際氫耗量。燃料電池堆在一段時間內(nèi)的實際氫氣消耗量按式(1)計算。

(1)

式(1)中，mH2為燃料電池堆實際氫氣消耗量，單位為克(g)；qH2為燃料電池堆實測氫氣流量，單位為克每秒(g/s)；T1為起始時間，單位為秒(s)；T2為結(jié)束時間，單位為秒(s)。

燃料電池理論氫耗量。燃料電池堆在一段時間內(nèi)的理論氫氣消耗量按式(2)計算：

(2)

式(2)中，mH2theo為燃料電池堆理論氫氣消耗量，單位為克(g)；qH2theo為燃料電池堆理論氫氣流量，單位為克每秒(g/s)；T1為起始時間，單位為秒(s)；T2為結(jié)束時間，單位為秒(s)。

理論氫氣流量按法拉第公式(3)計算：

(3)

式(3)中，qH2theo為燃料電池堆理論氫氣流量，單位為克每秒(g/s)；M為氫氣摩爾質(zhì)量，取2.016g/mol；I為燃料電池堆電流，單位為安(A)；N為燃料電池堆單電池片數(shù)；n為每個氫分子釋放的電子數(shù)，其值為2；F為法拉第常數(shù)，96485 C/mol。

氫氣排放量。燃料電池堆在某段時間內(nèi)排放的氫氣按式(4)計算：

mH2emis=mH2-mH2theo

(4)

式(4)中，mH2emis為排放的氫氣質(zhì)量，單位為克(g)；mH2為燃料電池堆實測氫氣消耗量，單位為克(g)；mH2theo為理論消耗氫氣質(zhì)量，單位為克(g)。

氫氣排放率。燃料電池堆在某段時間內(nèi)的氫氣排放率按式(5)計算：

bH2emis=3600·mH2emis/Qs

(5)

式(5)中，bH2emis為氫氣排放率，單位為克每千瓦時(g/(kw·h))；mH2emis為排放的氫氣質(zhì)量，單位為克(g)；Qs為燃料電池堆能量，單位為千焦(kJ)。

燃料電池堆能量計算公式(6)：

(6)

式(6)中，Qs為燃料電池堆能量，單位為千焦(kJ)；Ps為燃料電池堆功率，單位為千瓦(kW)。

從以上公式可以看出，標(biāo)準(zhǔn)中對燃料電池發(fā)動機(jī)的氫氣排放是通過由氫氣質(zhì)量流量計累積的氫氣實際消耗量減去由燃料電池堆產(chǎn)生的電流推算的理論氫氣消耗量計算得到的。除氫氣排放量(用以表征一段采樣計算區(qū)間內(nèi)燃料電池堆的氫氣排放質(zhì)量)和氫氣排放率(用以表征一段采樣計算區(qū)間內(nèi)燃料電池電堆每產(chǎn)生1千瓦時電能排放的氫氣質(zhì)量)外，利用測得的數(shù)據(jù)還可以得出氫氣利用率和氫氣未利用率兩個可以進(jìn)行橫向和縱向?qū)Ρ鹊膮?shù)。

1.1.2 測試方法分析

《燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣排放測試方法》(GB/T 34593-2017)中主要有兩種測試方法，即穩(wěn)態(tài)工況氫氣排放測試(標(biāo)準(zhǔn)5.1條款)和循環(huán)工況下氫氣排放測試(標(biāo)準(zhǔn)5.2條款)[1]。

穩(wěn)態(tài)工況氫氣排放測試是通過使熱機(jī)狀態(tài)下的燃料電池發(fā)動機(jī)運(yùn)行在不同的工況點，記錄其持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時的實時氫氣流量、燃料電池堆的電壓和燃料電池堆的電流。通過附錄A給出的相關(guān)計算公式進(jìn)行試驗結(jié)果處理;循環(huán)工況下的氫氣排放測試則是按照附錄B中規(guī)定的循環(huán)工況進(jìn)行加載，記錄實時氫氣流量、燃料電池堆的電壓和燃料電池堆的電流。通過附錄A給出的相關(guān)計算公式進(jìn)行試驗結(jié)果處理。

兩者的區(qū)別主要有兩點，一是發(fā)動機(jī)運(yùn)行功率的區(qū)別：穩(wěn)態(tài)工況試驗要求發(fā)動機(jī)運(yùn)行在怠速功率及額定功率的10%,20%,30%直至100%的11個功率工況點下，得到的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)較多；循環(huán)工況則集中運(yùn)行在怠速功率及額定功率的15%,32%,35%,50%,70%和100%的功率工況點下，得到的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)相對較少。二是采樣區(qū)間的區(qū)別：穩(wěn)態(tài)工況試驗要求對工況點穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行的區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；循環(huán)工況試驗則沒有明確規(guī)定。從上文得知，循環(huán)工況試驗的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)較少，對比穩(wěn)態(tài)工況試驗不具有優(yōu)勢，而循環(huán)工況試驗在標(biāo)準(zhǔn)中僅給出了36個加載功率點，對于相鄰工況之間的轉(zhuǎn)換沒有提出要求(標(biāo)準(zhǔn)原文：相鄰工況轉(zhuǎn)換之間可以增加過渡階梯，過渡時間根據(jù)具體情況確定)，因此存在測試時長不定的問題。

進(jìn)一步的測試時長不定會導(dǎo)致兩個問題。一是相同的樣品重復(fù)試驗，每個循環(huán)氫氣排放量可能存在較大差異，難以進(jìn)行評價；二是如果采用氫氣排放率或氫氣利用率對整個循環(huán)工況進(jìn)行分析，不同的過渡階梯時長仍然會對整個循環(huán)的結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。除此以外，氣體質(zhì)量流量計的特性也使其對在流量穩(wěn)定時的累積流量有較好的準(zhǔn)確度，而對劇烈波動的實時流量則效果不佳。

綜上所述，穩(wěn)態(tài)工況試驗可以較好的判斷燃料電池發(fā)動機(jī)在不同加載功率下的穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)的氫氣排放狀況，可以對氫氣利用率，氫氣排放率等參數(shù)進(jìn)行不同產(chǎn)品間的橫向比較；而循環(huán)工況試驗則更適用于開發(fā)階段的縱向?qū)Ρ取?/p>

1.2 《燃料電池電動汽車—整車氫氣排放測試方法》(GB/T 37154-2018)

《燃料電池電動汽車—整車氫氣排放測試方法》(GB/T 37154-2018)中同樣有兩個試驗項目，即怠速熱機(jī)狀態(tài)下車輛的氫氣排放和循環(huán)工況下熱機(jī)狀態(tài)氫氣排放[2]。兩者不僅在測試時的車輛狀態(tài)上有所不同，更重要的是測量參數(shù)上的不同。車輛在怠速狀態(tài)下測量的物理量是距離排氣管十公分處的實時氫氣體積濃度；而循環(huán)工況下測量的物理量和數(shù)據(jù)處理的方式則與燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣排放試驗一致，此處不再贅述。

1.3 對比分析

對比兩份標(biāo)準(zhǔn)可以看出，燃料電池的氫氣排放主要可以通過關(guān)鍵排放點的氫氣體積濃度或一段時間內(nèi)的氫氣排放量來表征。氫氣體積濃度是直觀體現(xiàn)安全性的重要參數(shù)，整車相比于燃料電池發(fā)動機(jī)更貼近實際應(yīng)用場景，因此可以進(jìn)行對應(yīng)與停放場景的怠速氫氣排放試驗，測量氫氣體積濃度來直觀判斷是否有安全隱患。氫氣排放量則是一個性質(zhì)更綜合的物理量，不僅直觀體現(xiàn)了氫氣的排放數(shù)量，也隱含著氫氣利用率、氫氣排放率等諸多信息。既反映了燃料電池整車/燃料電池發(fā)動機(jī)的安全性，也關(guān)系到其經(jīng)濟(jì)性。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前基于《燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣排放測試方法》進(jìn)行的燃料電池發(fā)動機(jī)的氫氣排放試驗較少，一方面是因為目前國內(nèi)尚未有針對此標(biāo)準(zhǔn)提出的強(qiáng)制性或推薦性要求，因此燃料電池發(fā)動機(jī)的氫氣排放不是各個生產(chǎn)廠商和應(yīng)用終端關(guān)注的重點；另一方面，燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣排放試驗得到的結(jié)果難以直觀表征和區(qū)分不同燃料電池發(fā)動機(jī)和不同加載工況的安全性，卻可以利用衍生的氫氣利用率和排放率去評價樣品的經(jīng)濟(jì)性，產(chǎn)生了數(shù)據(jù)結(jié)果和試驗?zāi)康拈g的些許錯位。

在國家標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池電動汽車安全要求》(GB/T 24549-2020)[3]中，引用了燃料電池電動汽車—整車氫氣排放測試方法》中怠速狀態(tài)下氫氣排放試驗的方法，并提出了瞬時不超過8%，且任意3秒內(nèi)平均值不超過4%的要求，目前是一項強(qiáng)制性檢驗。而循環(huán)工況下的氫氣排放試驗由于其對設(shè)備和樣品的要求較高，且無強(qiáng)制性要求，試驗進(jìn)行的也較少。

1.5 總 結(jié)

綜上所述，燃料電池的氫氣排放試驗，尤其是燃料電池發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)工況氫氣排放試驗，具有試驗方法簡單，測試數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確，可分析內(nèi)容多等優(yōu)點，可以用來綜合評價被測樣品安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2 發(fā)動機(jī)氫排放試驗研究

2.1 試驗描述

盡管基于標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣排放測試方法》進(jìn)行的試驗并不多，但其核心測試方法在于對燃料電池發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行實際氫氣消耗量的采集和理論氫氣消耗量的計算。在標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗方法》(GB/T 24554-2009)的7.7穩(wěn)態(tài)特性試驗中，與其十分類似的試驗方法[4]，而《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗方法》是一項強(qiáng)制性檢驗，具有充足的試驗樣本。本部分基于近兩年來進(jìn)行的部分燃料電池發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)特性試驗進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對其進(jìn)行氫氣排放相關(guān)的分析。

主要使用的設(shè)備有：燃料電池發(fā)動機(jī)測試臺架;電子負(fù)載;穩(wěn)壓穩(wěn)流電源;氫氣質(zhì)量流量計等。

2.2 數(shù)據(jù)分析

隨機(jī)抽取了65份試驗數(shù)據(jù)樣本，其額定功率分布基本包括了現(xiàn)階段以道路車輛用為主的燃料電池發(fā)動機(jī)的不同功率級別，如表1所示。

表1 燃料電池發(fā)動機(jī)樣本額定功率分布

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的過程中，相比于燃料電池發(fā)動機(jī)效率通常會隨著加載功率接近額定而下降，燃料電池發(fā)動機(jī)的氫氣利用率在整個實驗過程中相對穩(wěn)定。這與兩者的計算方式不同有關(guān)：燃料電池發(fā)動機(jī)效率通常受到輔助系統(tǒng)功率占比隨加載功率提升而增大的影響在高功率時相對較低，而燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣利用率則更多的受到氫氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計和控制策略的影響。

一方面，一組相對穩(wěn)定的結(jié)果有利于使用其作為產(chǎn)品間橫向比較的參數(shù)；另一方面，在燃料電池發(fā)動機(jī)的性能測試中，用于測量實際氫氣使用量的氣體質(zhì)量流量計通常只在接近設(shè)計氣體通量的一定范圍內(nèi)具有較好的精度?；谝陨蟽牲c原因，本部分采用的方法是將不同穩(wěn)態(tài)工況點的理論氫氣消耗量和實際氫氣消耗量依照相同測試時間的比例進(jìn)行求和，將兩部分的比值作為穩(wěn)態(tài)工況試驗中的綜合氫氣利用率。此方法基于氫氣利用率在不同加載功率下相對穩(wěn)定的特點，并很大程度的削弱了低功率時結(jié)果的不準(zhǔn)確產(chǎn)生的影響，使得綜合氫氣利用率可以用來表征燃料電池發(fā)動機(jī)在穩(wěn)態(tài)工況下的氫氣排放情況。

圖1是本部分抽取的樣本的綜合額定功率-綜合氫氣利用率分布圖。從圖1中可以看出，大部分的樣本綜合氫氣利用率在95%以上，尤其是額定功率在100kW以上的樣本體現(xiàn)的更加明顯。另一方面，額定功率較低的樣本并不具有氫氣利用率上的優(yōu)勢，這可能和大功率產(chǎn)品更多的由技術(shù)更為先進(jìn)的生產(chǎn)商制造有關(guān)。此外，盡管本次的試驗數(shù)據(jù)并非來源于針對氫氣利用率進(jìn)行的試驗，但數(shù)據(jù)處理的方法可以應(yīng)用在不同功率級別的燃料電池發(fā)動機(jī)上，且具有良好的性能表征能力和一定的產(chǎn)品力區(qū)分度。

圖1 額定功率-綜合氫氣利用率分布圖

2.3 總 結(jié)

通過對部分燃料電池發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了近似《燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣排放測試方法》中穩(wěn)態(tài)工況氫氣排放試驗的結(jié)果。并結(jié)合實際情況進(jìn)一步使用穩(wěn)態(tài)工況的綜合氫氣利用率來表征其氫氣排放方面的技術(shù)性能。結(jié)果表明穩(wěn)態(tài)工況綜合氫氣利用率具有良好的性能表征能力和區(qū)分度，可以用作被測樣品橫縱向?qū)Ρ鹊募夹g(shù)參數(shù)之一。

3 結(jié) 語

對燃料電池發(fā)動機(jī)及整車的氫氣排放試驗進(jìn)行研究，基于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)提供的試驗項目和數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)行了試驗執(zhí)行難度、數(shù)據(jù)采集有效性及數(shù)據(jù)處理方法等方面的分析。并結(jié)合大量相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，對標(biāo)準(zhǔn)中的要求得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，得到可以用于對比分析的技術(shù)參數(shù)，對燃料電池氫氣排放試驗的進(jìn)一步發(fā)展提供了一定的參考。