楊沄芃

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司, 天津 300300)

目前，全世界能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境污染等問題已經(jīng)成為人類最為關(guān)心的研究課題之一[1]。燃料電池汽車(fuel cell vehicle，F(xiàn)CV)作為我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要一環(huán)，是我國未來能源技術(shù)的重要發(fā)展方向。豐田、本田等外國車企很早便推出了自己的燃料電池汽車[2]，而我國的上汽、宇通等企業(yè)近年來也陸續(xù)開發(fā)了燃料電池汽車[3]。作為燃料電池汽車的動力核心，燃料電池系統(tǒng)的測試標(biāo)準(zhǔn)及測試方法對燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 國內(nèi)外車用燃料電池系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)

美國、日本和歐洲等地區(qū)一直在燃料電池汽車技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)跑,先后制定了多項法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)[4]，如SAE J2615—2011《汽車用燃料電池系統(tǒng)測試性能》[5]和SAE J2617—2011《汽車應(yīng)用的PEM燃料電池組子系統(tǒng)試驗性能的推薦規(guī)程》[6]，IEC 62282-2—2012《燃料電池技術(shù) 第2部分 燃料電池模塊》[7]，以及聯(lián)合國車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇(UN/WP29)制定的GTR 13《氫和燃料電池全球技術(shù)性法規(guī)》[8]等。

我國燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化工作時間不長，由全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會電動車輛分委會組織，正在積極開展相關(guān)工作。

1.1 燃料電池系統(tǒng)性能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)現(xiàn)狀

在燃料電池系統(tǒng)性能方面，我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)主要為GB/T 24554—2009《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗方法》[9]。該標(biāo)準(zhǔn)主要考核燃料電池系統(tǒng)的啟動特性試驗、額定功率試驗、峰值功率試驗、動態(tài)響應(yīng)特性試驗和穩(wěn)態(tài)特性試驗等基本特性。GB/T 24554—2009及與其對應(yīng)的美國標(biāo)準(zhǔn)SAE J2615—2011，都提出了較為完整的燃料電池系統(tǒng)性能測評體系。

與GB/T 24554—2009相比，SAE J2615—2011在燃料電池系統(tǒng)包含的范圍、燃料電池術(shù)語的定義及測試步驟等方面作出了更加詳細(xì)明確的規(guī)定。目前，我國已經(jīng)在考慮對GB/T 24554這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改完善。

1.2 燃料電池系統(tǒng)安全性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)現(xiàn)狀

由于燃料電池具有易燃易爆以及高壓電等潛在風(fēng)險，因此制定燃料電池系統(tǒng)安全性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)十分重要。我國GB/T 24549—2009《燃料電池電動汽車 安全要求》[10]對燃料電池系統(tǒng)的安全檢測項目包括了供氫容器及管路、加氫口、發(fā)生意外或故障時緊急排氣功能和電安全等。

與之相對應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)GTR 13主要是確保燃料電池汽車能達(dá)到傳統(tǒng)汽車的安全級別，避免乘車人員受到氫氣爆燃、電擊等危險，同時也對汽車損壞后對乘員的安全保護(hù)提出了要求。對比發(fā)現(xiàn)，我國安全性標(biāo)準(zhǔn)主要針對的是高壓氣態(tài)儲氫的情況，而沒有考慮液態(tài)儲氫的情況，這一點也與我國發(fā)展的實際情況有關(guān)。

1.3 燃料電池系統(tǒng)可靠性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)現(xiàn)狀

GB/T 33978—2017《道路車輛用質(zhì)子交換膜燃料電池模塊》[11]是財務(wù)部、工信部、科技部和發(fā)改委在2018年聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補(bǔ)貼政策的通知》中明確指出的測試標(biāo)準(zhǔn)。該項標(biāo)準(zhǔn)主要考核燃料電池系統(tǒng)的可靠性，具體測試內(nèi)容包括：高/低溫存儲試驗、氣體泄漏試驗、正常運行試驗和電磁兼容試驗等。

國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62282-2—2012規(guī)定了燃料電池模塊的安全性和性能的最低要求，考核不同環(huán)境條件和不同運行條件對燃料電池模塊安全性的影響，與 GB/T 33978—2017相比，其適用范圍更廣，可適用于堿性燃料電池、聚合物電解質(zhì)燃料電池和固體氧化物燃料電池等，且包含了如燃料饑餓測試等極端條件的檢測。而GB/T 33978—2017則包含了電磁兼容和防塵防水等IEC 62282-2—2012不具備的檢測項目。

2 未來燃料電池系統(tǒng)測評的展望

針對燃料電池系統(tǒng)的測評，我國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正在積極修訂中。從上述幾個標(biāo)準(zhǔn)可以看出，目前燃料電池系統(tǒng)的測試主要圍繞額定功率和變載響應(yīng)能力等性能指標(biāo)，這也是整車企業(yè)最為關(guān)注的一點。在2018年的補(bǔ)貼政策中加入了對高/低溫存儲的要求，也就是考核了燃料電池系統(tǒng)可靠性。從燃料電池汽車發(fā)展的趨勢和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求來看，針對燃料電池系統(tǒng)的考核越來越嚴(yán)格，測評重點由最初的“能用”向未來的“好用”轉(zhuǎn)變。針對未來在燃料電池系統(tǒng)的測評體系中可能出現(xiàn)的測評重點，提出以下幾點展望：

1) 輔助系統(tǒng)測評。一個完整的車用燃料電池系統(tǒng)中，除了燃料電池堆外，還應(yīng)包括許多輔助部件。通常輔助系統(tǒng)的功耗占到燃料電池系統(tǒng)的5%～15%，降低輔助系統(tǒng)的功耗對提高燃料電池系統(tǒng)的整體效率是十分有益的。輔助系統(tǒng)主要包括了空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵、電控單元和增濕器等，其中空壓機(jī)的功耗最高。未來應(yīng)增加對空壓機(jī)性能、功耗和含油量的測試。

2) 低溫冷啟動測評。由于燃料電池工作時有大量的水存在，冷啟動成為了燃料電池特有的一個技術(shù)難點。從國家的補(bǔ)貼政策來看，已經(jīng)由最初的額定功率的要求，上升到溫度存儲的要求，下一階段很有可能加入對低溫冷啟動的技術(shù)要求。現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)中，可按照GB/T 33979—2017《質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)低溫特性測試方法》[12]進(jìn)行低溫冷啟動測試。

3) 燃料利用率測評。燃料電池與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，最大的優(yōu)勢之一就是具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)的效率，若使用氫的低熱值來計算燃料電池效率，其理論最大值將高達(dá)94.5%，而目前我國的標(biāo)準(zhǔn)中尚未加入燃料利用率的測評。因此，為體現(xiàn)燃料電池的高效率優(yōu)勢，檢測燃料利用率是十分必要的。在實際測試過程中，燃料利用率可由理論氫氣用量與實際氫氣用量的比值求得。計算實際氫氣用量需要采集進(jìn)堆氫氣量和尾排氫氣量，理論氫氣用量可根據(jù)法拉第定律求得。

4) 耐久性測評。目前我國對于燃料電池系統(tǒng)的性能和可靠性都已經(jīng)有了相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，但是對于耐久性的檢測還沒有提出明確要求。美國能源部制定的可滿足正常使用要求的2020年目標(biāo)為5 000 h?，F(xiàn)階段國產(chǎn)的燃料電池系統(tǒng)距這一目標(biāo)仍有差距，且運行一段時間后性能衰減也較為嚴(yán)重。為了滿足車用要求，燃料電池系統(tǒng)增加耐久性測試應(yīng)是勢在必行，且可以考慮使用車用工況進(jìn)行循環(huán)測試。

3 結(jié)束語

本文介紹了我國主要的車用燃料電池系統(tǒng)的測試標(biāo)準(zhǔn),對比分析了國內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的差異,提出了在測試項目中增加燃料電池系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)、燃料利用率、低溫冷啟動和耐久性測試的建議，有利于推動我國燃料電池汽車的發(fā)展。