車用燃料電池系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)現(xiàn)狀及展望

楊沄芃

(中國(guó)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(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要一環(huán)，是我國(guó)未來(lái)能源技術(shù)的重要發(fā)展方向。豐田、本田等外國(guó)車企很早便推出了自己的燃料電池汽車[2]，而我國(guó)的上汽、宇通等企業(yè)近年來(lái)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(dòng)力核心，燃料電池系統(tǒng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方法對(duì)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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

美國(guó)、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(xiàng)法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)[4]，如SAE J2615—2011《汽車用燃料電池系統(tǒng)測(cè)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(yàn)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(guó)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(guó)燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化工作時(shí)間不長(zhǎng)，由全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)電動(dòng)車輛分委會(huì)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(guó)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)主要為GB/T 24554—2009《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》[9]。該標(biāo)準(zhǔn)主要考核燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)特性試驗(yàn)、額定功率試驗(yàn)、峰值功率試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)等基本特性。GB/T 24554—2009及與其對(duì)應(yīng)的美國(guó)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(cè)評(píng)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(yǔ)的定義及測(cè)試步驟等方面作出了更加詳細(xì)明確的規(guī)定。目前，我國(guó)已經(jīng)在考慮對(duì)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(xiǎn)，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(guó)GB/T 24549—2009《燃料電池電動(dòng)汽車 安全要求》[10]對(duì)燃料電池系統(tǒng)的安全檢測(cè)項(xiàng)目包括了供氫容器及管路、加氫口、發(fā)生意外或故障時(shí)緊急排氣功能和電安全等。

與之相對(duì)應(yīng)的國(guó)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(jí)別，避免乘車人員受到氫氣爆燃、電擊等危險(xiǎn)，同時(shí)也對(duì)汽車損壞后對(duì)乘員的安全保護(hù)提出了要求。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，我國(guó)安全性標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)的是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的情況，而沒有考慮液態(tài)儲(chǔ)氫的情況，這一點(diǎn)也與我國(guó)發(fā)展的實(shí)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(cái)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(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》中明確指出的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)主要考核燃料電池系統(tǒng)的可靠性，具體測(cè)試內(nèi)容包括：高/低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、氣體泄漏試驗(yàn)、正常運(yùn)行試驗(yàn)和電磁兼容試驗(yàn)等。

國(guó)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(yùn)行條件對(duì)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(cè)試等極端條件的檢測(cè)。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(cè)項(xiàng)目。

2 未來(lái)燃料電池系統(tǒng)測(cè)評(píng)的展望

針對(duì)燃料電池系統(tǒng)的測(cè)評(píng)，我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正在積極修訂中。從上述幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，目前燃料電池系統(tǒng)的測(cè)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(diǎn)。在2018年的補(bǔ)貼政策中加入了對(duì)高/低溫存儲(chǔ)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(shì)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求來(lái)看，針對(duì)燃料電池系統(tǒng)的考核越來(lái)越嚴(yán)格，測(cè)評(píng)重點(diǎn)由最初的“能用”向未來(lái)的“好用”轉(zhuǎn)變。針對(duì)未來(lái)在燃料電池系統(tǒng)的測(cè)評(píng)體系中可能出現(xiàn)的測(cè)評(píng)重點(diǎn)，提出以下幾點(diǎn)展望：

1) 輔助系統(tǒng)測(cè)評(píng)。一個(gè)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(duì)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(lái)應(yīng)增加對(duì)空壓機(jī)性能、功耗和含油量的測(cè)試。

2) 低溫冷啟動(dòng)測(cè)評(píng)。由于燃料電池工作時(shí)有大量的水存在，冷啟動(dòng)成為了燃料電池特有的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。從國(guó)家的補(bǔ)貼政策來(lái)看，已經(jīng)由最初的額定功率的要求，上升到溫度存儲(chǔ)的要求，下一階段很有可能加入對(duì)低溫冷啟動(dòng)的技術(shù)要求。現(xiàn)行的國(guó)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(cè)試方法》[12]進(jìn)行低溫冷啟動(dòng)測(cè)試。

3) 燃料利用率測(cè)評(píng)。燃料電池與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，最大的優(yōu)勢(shì)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(lái)計(jì)算燃料電池效率，其理論最大值將高達(dá)94.5%，而目前我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)中尚未加入燃料利用率的測(cè)評(píng)。因此，為體現(xiàn)燃料電池的高效率優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)燃料利用率是十分必要的。在實(shí)際測(cè)試過程中，燃料利用率可由理論氫氣用量與實(shí)際氫氣用量的比值求得。計(jì)算實(shí)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(cè)評(píng)。目前我國(guó)對(duì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但是對(duì)于耐久性的檢測(cè)還沒有提出明確要求。美國(guó)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(guó)產(chǎn)的燃料電池系統(tǒng)距這一目標(biāo)仍有差距，且運(yùn)行一段時(shí)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(cè)試應(yīng)是勢(shì)在必行，且可以考慮使用車用工況進(jìn)行循環(huán)測(cè)試。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了我國(guó)主要的車用燃料電池系統(tǒng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的差異,提出了在測(cè)試項(xiàng)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(dòng)和耐久性測(cè)試的建議，有利于推動(dòng)我國(guó)燃料電池汽車的發(fā)展。