动态耐久工况下燃料电池系统电性能及安全性试验研究.pdf
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1、动态耐久工况下燃料电池系统电性能及安全性试验研究*doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2023.04.001动态耐久工况下燃料电池系统电性能收稿日期:2 0 2 3-0 6-0 7及安全性试验研究*张晓鹏,吴鹏,张斌、吴海文,刘浪(1.国家汽车质量检验检测中心(襄阳),襄阳4410 0 4;2.国家市场监督管理总局认证认可技术研究中心,北京10 0 0 13)摘要:电性能是燃料电池系统核心指标,安全性是燃料电池系统应用的前提,目前燃料电池系统再动态应用工况下电性能及安全性测试研究相对较少。本文基于动态循环工况,针对车载燃料电池系统开展台架耐久试验,通过采集燃料电池的电,流
2、电压、氢气流量、绝缘电阻及气密保压时间,分析耐久试验前后燃料电池系统电性能、安全性变化趋势。关键词:燃料电池系统;动态工况;电性能;安全性中图分类号:TM911.42文献标志码:A文章编号:10 0 5-2 5 5 0(2 0 2 3)0 4-0 0 0 2-0 6The Experimental Study on Electrical Performance and Safety ofFuel Cell System under Dynamic Endurance ConditionZHANG Xiao-peng,WU Peng,ZHANG Bin,WU Hai-wen,LIU Lang(1
3、.National Automobile Quality Inspection and Test Center(Xiangyang),Xiangyang441004,China;2.China Certification&Accreditation Institute,Beijing 100013,China)Abstract:Electrical performance is the core index of fuel cell system,and safety isthe premise of fuel cell system application.But at present,th
4、e electrical performance andsafety testing of fuel cell system under redynamic application condition are relatively few.Inthis paper,the vehicular fuel cell system was tested based on the dynamic cycling condition.Data such as current and voltage of the stack,the system efficiency,gas tightness and
5、thehydrogen emission were collected.And the durability of fuel cell system was analyzed inthree dimensions,electrical property,efficiency and safety.Key Words:Fuel Cell System;Dynamic Cycling Condition;Electrical Performance;Safety前言张晓鹏随着国家“双碳”12 目标的提出,在交通领毕业于武汉理工大学材域燃料电池因其零排放、长续航及加注速率快等料科学与工程学院,硕士研
6、究生学历。现就职于国家汽车质量检验检测中心(襄阳),任主管工程师。主要研究方向:燃料电池电堆及系统测试研究,已发布相关论文数篇。*基金项目:国家市场监管总局技术保障专项项目(2 0 2 2 YJ06)2特点而逐步受到研究者的青睐。目前制约燃料电池大规模商业化应用的两大痛点是成本和耐久性2。随着催化剂铂载量的下降及零部件的规模化生产,燃料电池成本逐渐下降,因此,耐久性逐渐成为技术人员的研究热点。汽车科技/AUTOSCI-TECH2023年第4期因耐久性试验周期长、费用高,国内对车载级燃料电池系统的耐久性研究相对较少。襄阳达安汽车检测中心有限公司即国家汽车质量检验检测中心、国家燃料电池汽车检验检测
7、中心在车载级燃料系统耐久测试方面有长达6 0 0 0 h的测试经验。本文将对相关的测试方法及结果分析进行介绍。1耐久测试与评价方法1.1测试工况在实际车载运行过程中,燃料电池经历启停、空载、满负荷、连续加减载及过载等运行工况,长周期运行会导致燃料电池核心部件MEA膜电极的质子交换膜出现不可逆降解 3,Pt基催化剂的溶解及团聚 4,催化剂碳载体的腐蚀结构塌陷等 5。MEA的材料老化和微观结构的变化导致其催化性能衰减从而导致燃料电池性能的衰减甚至失效。目前,耐久性的测试工况分为稳态法和动态法 7-8,稳态法即燃料电池在恒定的功率下运行,考核燃料电池系统运行一段时间后性能衰减情况,动态法指的是在台架
8、上模拟车辆实际运行过程功率随载荷变化,包含开路、启停、怠速、额工况名称工况来源开路/怠速功率占比IEC工况NEDCDOE工况SC03U.S.Drive Technical Team 工况干湿循环FCTestNet工况同济大学工况清华大学工况武汉理工大学工况中科院大连化学物理研究所工况HYZEM工况标准号GB/T24554-2022GB/T34593-2017GB/T38914-2020GB/Z27753-2011T/CAAMTB74-2022T/CAAMTB 73-2022定、过载、加减载、匀速等工况,动态法相对于稳态法更贴近燃料电池系统实际应用场景,因此多用动态工况对燃料电池系统耐久进行验证
9、。为更真实的考核燃料电池的耐久性,目前主流测试方法采用将车速工况转化为燃料电池电流或功率工况 91,如表1中的IEC工况将新欧洲驾驶循环(New European Driving Cycle,NEDC)车速-时间曲线转化为燃料电池输出功率-时间曲线;DOE工况将美国SCO3行驶工况的车速曲线对应转化为燃料电池的功率曲线;同济大学在NEDC工况基础上增加了过载工况;清华大学在基于中国城市公交循环工况(CCBC)将的车速一时间曲线转为电流一时间曲线。在各个测试工况中,包含启停、开路/怠速、额定及过载等功率段,同样可以根据可靠性验证需求对各个功率段占比进行调整。1.2测试评价标准国内燃料电池评价测试
10、标准已经逐步完善,随着燃料电池汽车的示范运营及商业化的推广,对燃料电池耐久性的统一测试评价标准的需求日表1燃料电池耐久试验工况额定功率占比过载功率占比41.43.730.09.725.025.050.050.0NEDC37.9CCBC38.9实车道路工况11.6稳态测试工况21.1HYZEM46.30表2 燃料电池耐久性相关标准名称燃料电池发动机性能试验方法燃料电池发动机氢气排放测试方法车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法质子交换膜燃料电池膜电极工况适应性测试方法燃料电池系统工况耐久试验方法燃料电池用空气压缩机耐久性试验方法燃料电池电动汽车燃料电池堆耐久性试验方法车用质子交换膜燃料电池
11、发电系统使用寿命测试评价方法燃料电池发动机用氢气循环泵05.6009.22.428.21.834.92.331.62.100状态现行现行现行现行现行现行立项立项征求意见3动态耐久工况下燃料电池系统电性能及安全性试验研究*益迫切,如表2 所示,相关标准中涵盖对膜电极、电堆、系统及辅助部件(空压机、氢循环泵)等主要核心部件性能及耐久测试评价。其中关于氢气循环泵、电堆及系统的耐久测试标准尚未发布,现有的系统耐久测试标准中更加关注安全性及电堆衰减测试,缺少对系统的经济性及动力性的测试评价。对于燃料电池在汽车领域的应用,需要制定涵盖零部件至系统全领域耐久性测试评价标准法规体系。2耐久试验通过改变燃料电池
12、系统台架电子负载实现系统不同输出功率,将启停、变载、额定功率等编制成为循环程序,通过台架控制系统给燃料电池发送指令,实现燃料电池系统台架运行循环工况,对燃料电池系统耐久性进行测试研究。2.1 耐久工况120%100%80%60%40%20%0%0图1燃料电池系统耐久测试循环动态工况为更真实的测试燃料电池系统的耐久性,采用动态工况进行测试,工况中包含了车载工况中的启停、怠速、变载、额定等工况,1个工况循环为3 0 min,怠速占比10.%,额定工况占比3 9.4%。表3 耐久循环中不同功率占比工况开路/怠速额定功率过载功率其他占比10.6%2.2试验方法测试台架为燃料电池系统提供运行必要的氢气及
13、散热,每10 0 小时进行极化曲线性能复测一次,对被测样件的气密性及氢排放浓度试验前后进行检测。测试期间对试验室顶部氢气浓度及被测样件的绝缘阻值进行2 4小时不间断检测。2.3数据采集对燃料电池系统整个耐久测试运行过程中的电堆电流、电压、氢气消耗量、绝缘阻值、冷却液电导率等进行检测,设备清单如表4所示。3结果与讨论通过对燃料电池发动机按图1所述耐久工况进行10 0 0 h耐久测试,对发动机的电流、电压、氢气流量、绝缘阻值、电堆单片电压及发动机故障等进行跟踪记录,对燃料电池系统的电性能、效率、安全性等进行分析评价。表4设备名称、型号及精度序号设备燃料电池Greenlight1系统台架PMTS-A
14、50电流:6 0 0 A/0.3%FS氢气F-111AC-1M02流量计-RGD-99-V氢排放3FCV-HE-100分析仪电导率DDSJ-318T4检测仪型电导率仪3.1电性能燃料电池作为发电装置,电性能是其核心指标,通过对比不同运行时间的电堆极化曲线(图2),可以看出耐久试验过程中,电堆的电能能出现明显下降,同等电流密度下电压出现不同程度的衰减。通过额定功率下电堆的最低单片电压30060039.4%型号10%VOL0.2%VOL/Urel=2.5%k=20.2000mS/cm/0.001 S/cm9001200t/s量程/精度电压:8 0 0 V,1430NLPM精度1%150018000
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