燃料电池发动机性能测试若干问题探讨

文醉，吴迪，梁聪，王芳，韩丽琼

燃料电池发动机性能测试若干问题探讨

文醉，吴迪，梁聪，王芳，韩丽琼

(中国汽车技术研究中心,天津300300）

针对目前开展的燃料电池发动机性能测试，对怠速工况、冷起动的定义、燃料电池发动机系统效率计算方式、绝缘电阻、测试工况等所存在的问题进行探讨,并提出相关建议。

燃料电池发动机；性能测试；若干问题

在国家十三五规划中，电动汽车科技特别部署发展燃料电池汽车，计划在关键基础器件、燃料电池系统、基础设施与示范三个方面加大研发和投入力度，燃料电池汽车迎来了示范运行和商业化的发展契机[1]。燃料电池发动机是燃料电池汽车的核心部件，如何准确而有效地对其进行测试评价将会对燃料电池汽车商业化的发展起到极为重要的作用。

目前，有关燃料电池发动机系统测试评价的国家标准法规有GB/T24554-2009[2]，GB/T25319-2010[3]和GB/T 23645-2009[4]等。这几项标准的制定时间较早，很多测试项目和术语的定义都借鉴了传统内燃机的相关内容，在某些方面对于燃料电池发动机系统而言并不适用，在实际测试的过程中将会遇到一些问题，值得进一步探讨。

1 对怠速工况、冷起动定义的探讨

1.1 怠速工况的定义所存在的问题

在国标GB/T25319-2010中，燃料电池汽车的怠速工况的定义为发电系统处于工作状态，能维持自身工作，但不对外输出功率[3]。这一定义实际是从对内燃机的怠速工况的定义中借鉴而来的。内燃机的怠速是指内燃机在无负荷的情况下运转，只需要克服自身内部机械的摩擦阻力，不对外输出功率。对于燃料电池发动机而言，并没有克服自身内部机械摩擦阻力的情况，只有满足辅助器件最基本电力的状态（如空压机、散热系统的运转等）。而燃料电池发动机的辅助器件并不都是由系统直接供电的，在某些情况下，整车上燃料电池发动机的辅助器件，如散热系统会由动力电池来提供电力，而在台架测试的时候亦是如此。且燃料电池发动机在起动成功后，由于燃料电池电堆的特性，若长时间处于不对外输出功率的状态，即长时间不对系统进行加载时，可能会对燃料电池电堆造成损坏。因此，对于许多燃料电池发动机而言，都没有“怠速工况”。这说明了燃料电池发动机的怠速状态与内燃机的怠速状态有很大的不同。

为了明确怠速工况的实际状态，在实际测试过程中，应根据具体情况来明确测试条件。首先与制造商确定燃料电池发动机的辅助器件在整车上的供电方式，是由燃料电池发动机自身供电，还是由整车上的动力电池供电。若是由动力电池供电，在进行台架试验时，需要准备额外的电源，与制造商确定是否可以不加载，如果需要加载一定功率，则可视该工况为在整车上工作时的怠速工况。国内一些燃料电池发动机的辅助部件是需要额外提供电源供电的；加拿大Ballard公司研制的燃料电池发动机，其氢气循环泵及空压机也是由外部电源单独供电的。若是由燃料电池发动机自身供电的，应认定为可以不加载，即认定只满足辅助器件最基本的电力供应而不对外输出功率时的状态作为怠速工况。怠速工况是其它性能测试如动态加载响应、额定功率、峰值功率等测试的起点，需要频繁地将燃料电池发动机系统置于这一状态，这就要求怠速工况对于燃料电池发动机而言，应该是正常可接受且能持续的状态。

1.2 冷起动定义所存在的问题

在国标[2]中冷起动定义为燃料电池发动机从冷机状态（发动机内部温度与环境温度相同）开始，按照制造商规定的起动操作步骤起动发动机。冷起动时间通常定义为燃料电池发动机由待机状态起动至怠速工况所经历的时间，但这里并没有确定环境温度的范围。为了评价燃料电池发动机低温冷起动的性能，试验厂家可能需要测试其产品在低温环境下起动的特性，如在-10℃、-20℃甚至更低的温度下尝试起动燃料电池发动机的情况。通过试验研究表明，燃料电池发动机在10℃以下的环境时，随着温度的降低，其起动时间将会明显增加。

与汽油发动机不同的是，燃料电池发动机的起动受低温的影响比柴油机更为明显，有些系统在低温下（0℃以下）会出现起动困难的情况，甚至无法起动，而低温冷起动技术也是燃料电池发动机的关键技术之一。这是由于PEMFC广泛应用的质子交换膜的特殊的化学结构，必须保证膜中含有一定的水分，否则会影响电化学反应的进行。膜中的含水量或者燃料电池中的含水量不能过多，否则在低温条件下冷起动之前多余的水就会发生冻结，影响电池性能，从而导致冷起动问题。

为了解决这一问题，现有PEMFC低温冷起动策略分为不借助任何外加能量实现电池冷起动成功的自起动策略，和借助某种或某几种外加辅助手段帮助电池冷起动成功的辅助起动策略[5]。自起动策略能够很好地控制整个燃料电池系统的成本和复杂程度，但电池冷起动性能目前还不够好，可用温度范围也较窄。而辅助起动策略虽然增加了系统的成本和复杂程度，但能够保证电池更高的冷起动可靠性。辅助起动策略通常是进行内部加热（流道中烧氢、催化反应加热、MEA电阻加热），外部加热（冷却液加热、热空气吹扫），加湿（控制反应加湿排水、吹扫等）。首先将内部温度加热到一定温度后，再进行自起动。此外，燃料电池系统的辅助部件如控制器、氢气循环泵、空压机等都可能受低温的影响而无法正常工作。

判定低温冷起动成功，就是在系统能顺利进入可加载模式即待机状态后，对系统进行加载，在怠速或低载荷下运行10 min，即证明其低温冷起动成功了。因此，在实际测试的过程中，对于有些燃料电池发动机系统，其冷起动过程可能分为辅助起动和自起动两个过程，需要分别记录这两个过程的冷起动时间。

美国能源部（DOE）对于燃料电池发动机低温冷起动的要求是，在2015年要在-20℃时30 s内实现起动，该目标已经实现了，而在国内，上汽称其燃料电池汽车也能达到这一要求。十三五期间，我国新能源汽车专项项目中，关于燃料电池低温冷起动的要求是乘用车要实现-30℃下起动，商用车要实现-25℃下起动。

2 燃料电池发动机效率测试中的计算方式

在GB/T24554-2009[2]中，稳态特性试验要计算燃料电池发动机的效率。相较于传统内燃机，燃料电池发动机除具有环保的优势以外，其效率也明显较高。通常，内燃机的效率是用燃料的低热值来表示的，而燃料电池的效率也可以用氢的低热值来表示。理论上，燃料电池效率最大值为[6]：η=△G/△HLHV=228.74/241.98=94.5%。

在GB/T24554-2009中，燃料电池发动机实际效率的定义为单位时间内所消耗的能量转化为有效功率的份额，如下所示：

式中：ηF为燃料电池发动机效率；mH2为氢气流量，g/s；LHVH2

为氢气低热值，1.2×106kJ/kg。

而燃料电池发动机功率PF=UFIF/1 000，其中：UF为燃料电池发动机系统的电压，V；IF为燃料电池发动机系统的电流，A。

此公式参照了内燃机效率的计算方法，以氢的低热值来表示燃料电池的效率，但是，内燃机净功率即为其克服内部阻力后可以对外做功的功率。而要维持燃料电池发动机的正常工作，其辅助系统也需要消耗功率，而当燃料电池发动机安装到整车上时，其辅助系统所消耗的功率往往有一部分不是由燃料电池发动机自身所提供的，而是由外部电源来提供的，如1.1中所述。因此，在计算效率时应去除外部提供给辅助系统的功率PA，作为燃料电池发动机的净功率输出。因此，应将式（1）修改

3 燃料电池发动机绝缘电阻的测量

为了确保驾驶员、乘客和车辆周围环境的安全，电动汽车的带电部件应进行触电防护，电路和电平台之间应测量其绝缘电阻。燃料电池发动机的电源电压一般为直流100～600 V，电气安全问题不容忽视，有必要对其进行绝缘电阻的测量。在国标GB/T18384.3-2001《电动汽车安全要求第3部分：人员触电防护》中，绝缘电阻的测量方法是用类似于兆欧表的仪器测量正负极端子对电平台或对地或系统外壳的电阻。兆欧表是通过用一个电压激励被测装置，然后测量激励所产生的电流，再利用欧姆定律测量出电阻的，其激励电压往往不小于被测装置的最大工作电压。GB/T 18384.3-2001中对绝缘电阻的要求最小值是100 Ω/V，当包括交流电路且没有附加防护时，最小值应不小于500 Ω/V。当燃料电池发动机在不连接负载，已加冷却液和加湿用水、水泵运转的条件下时，可以采用上述方式进行绝缘电压的测试；当燃料电池发动机处于有源状态，即处于工作状态时，如果以兆欧表来测量绝缘电阻，燃料电池电堆在工作时会承受一个瞬时的激励电压，这可能对燃料电池电堆产生不可预知的损伤。为了避免安全事故及对被测试件造成不可预知的损伤，当燃料电池发动机处于热机状态，要对其进行绝缘电阻测量时，可以参照GB/T 18384.1《电动汽车安全要求第1部分：车载可充电储能系统》中的测量方法，通过燃料电池发动机系统与电平台之间中添加一个已知的测量电阻R0的方式来测量绝缘电阻Ri，其计算公式为[7]：Ri=R0（U1-U2）/U2（1+U'1/U1）。其中：U1、U'1为添加于R0之前、系统两个端子和车辆电平台之间的电压，较高者定义为U1，较低者定义为U1'；U2、U2'为添加于R0之后，系统两个端子和车辆电平台之间的电压，较高者定义为U2，较低者定义为U'2。

采用GB/T18384.1进行绝缘电阻测量，实际上是一种间接测量方式，通过计算得到绝缘电阻值，测试步骤和原理过程清晰，并没有施加激励电压，对人员及测试样品而言，安全性更高；GB/T 18384.3-2001中用兆欧表直接测量绝缘的方法，操作更为简单，耗时更短。表1为分别采用两种方法进行绝缘电阻测量选取的典型值[8]。

4 结束语

随着燃料电池技术的发展和产业的扩大，目前国内与燃料电池发动机相关标准发展的滞后已逐渐显现。这需要在行业内加快标准制修订进程，同时加强对燃料电池发动机测试方法及评价的研究。本文在结合相关的测试理论的基础上，对燃料电池发动机试验中遇到的一些问题进行了分析，并提出了一些建议，为标准制修订和完善测试评价方法提供参考。

[1]孙宇轩.关于新能源汽车发展的现状及趋势[J].中外企业家，2015（9x）：21.

[2]全国汽车标准化技术委员会.燃料电池发动机性能试验方法：GB/T24554-2009[S].北京：中国标准出版社，2009：10.

[3]全国燃料电池标准化技术委员会.汽车用燃料电池发电系统技术条件：GB/T 25319-2010[S].北京：中国标准出版社，2010：11.

[4]全国燃料电池标准化技术委员会.乘用车用燃料电池发电系统测试方法：GB/T23645-2009[S].北京：中国标准出版社，2009：4.

[5]马建新，高鑫，张存满.质子交换膜燃料电池冷起动机理及冷起动策略[J].电源技术.2009（07）.

[6]弗朗诺·巴尔伯.PEM燃料电池：理论与实践[M].北京：机械工业出版社，2016.

[7]全国汽车标准化技术委员会.电动汽车安全要求第1部分：车载可充电储能系统：GB/T 18384.1-2015[S].北京：中国标准出版社，2015：5.

[8]刘广敏，乔昕，张晓鹏.电动汽车动力锂电池在线绝缘电阻检测方法研究[J].汽车技术.2013（11）：51-54.

修改稿日期：2017-02-13

Discussion of Some Problems of Performance Test for Fuel Cell Engine

Wen Zui,Wu Di,LiangCong,WangFang,Han Liqiong
(China Automotive Technologyand Research Center,Tianjing300300,China)

Aiming at the present performance test for fuel cell engine system,the authors discuss the existing problems,such as the definitions of the idle condition and cold start,the calculation way of fuel cell engine system efficiency,the electric insulation resistance and the test conditions,and put forward some suggestions.

fuel cell engine;performance test;some problems

U464

B

1006-3331（2017）02-0053-03

国家863项目，锂离子储能电池和燃料电池备用电源安全性设计及性能评价研究（2014AA052201）

文醉（1985-），男，硕士；工程师；主要从事车辆燃料电池和动力电池的测试研究工作。