商用车用燃料电池堆耐久性测试方法概述

赵鑫，陈光,马明辉

1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300300;3.中汽研新能源汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300300

0 引言

近年来，我国燃料电池汽车发展以商用车为主，燃料电池商用车的实际使用环境与传统内燃机车型相比，其运行线路、停靠/停放地点较为固定，主要顾客群更集中，且寿命至少要达到10 000 h以上才能满足使用要求。在研发过程中，由于燃料电池汽车的动力系统与传统汽车相比存在本质差异，其设计方法与评价指标也有所不同，因此需开展各核心系统的耐久性测试。

在商用车用燃料电池堆耐久性测试试验中，试验工况的合理性是影响测试结果可靠性的重要因素之一。文中以商用车用燃料电池堆为研究对象，首先介绍了商用车用燃料电池堆的发展现状；其次概述了商用车用燃料电池堆的性能衰减因素；最后总结了几种常用的车用燃料电池耐久性测试工况，在此基础上对商用车用燃料电池堆耐久性测试工况进行了展望。

1 商用车用燃料电池堆发展现状

目前，质子交换膜燃料电池已成为我国燃料电池商用车动力系统的主要技术路线。经过多年发展，形成了一批燃料电池堆及燃料电池系统企业。目前，亿华通产品的电堆功率密度可达到2.0 kW/L，耐久性可达到8 000 h，可以在-30 ℃下冷启动，-40 ℃下低温存储，且已实现批量生产。上海捷氢自主研发的新一代大功率燃料电池堆的关键性能指标已达到国际先进水平，应用范围可涵盖乘用车和商用车。上海重塑旗下的CAVEN系列燃料电池系统被广泛应用于车用领域，CAVEN 3、CAVEN 4、CAVEN 7等产品的额定功率为30～60 kW，寿命可达12 000～15 000 h，CAVEN 7ex的额定功率为80 kW，寿命可达15 000 h以上。现如今，燃料电池技术在商用车领域的真正推广，仍需进一步提高燃料电池的功率，提升系统效率，提升电电混合程度，加强关键材料和零部件技术攻关。

2 商用车用燃料电池堆性能衰减因素

商用车用燃料电池堆的性能衰减因素大致分为以下4类：①设计及工艺因素。多为设计、制造和装配过程中出现的不合理因素。②材料因素。指材料本身属性所引起的性能衰减。③健康因素。指运行过程中水热管理(水淹、膜干、温度过高)或气体管理(缺气)导致的性能衰减。④运行因素。主要受反应气纯度、运行工况(开路、怠速、低温冷启动等)、路面条件等的影响。上述因素可能导致燃料电池堆的质子交换膜、催化层、气体扩散层、双极板以及密封组件五大部件的性能衰减。例如，频繁的启停会导致催化剂碳载体腐蚀，引起催化层性能衰减；怠速工况引起的质子交换膜分解、蠕变、开裂等机械衰减，会导致质子交换膜性能下降；反复加减载导致的电位循环容易引起催化剂铂颗粒粗大化，造成催化层性能衰减；过载工况将加速质子交换膜、催化剂以及载体的衰减。

3 车用燃料电池堆耐久性测试工况

一直以来，由于耐久性试验昂贵费时，国内对燃料电池堆的耐久性研究较少。近年来，鉴于研究的紧迫性，许多机构已经进行了相关耐久性试验。燃料电池堆耐久性测试方法主要分为稳态法和动态法。稳态法是指在恒定电流密度(或电压)下运行电池，记录电压(或电流)及性能的变化。2002年，AHN等进行了电堆稳态耐久性测试。2004年，KNIGHTS等完成了12 000 h的燃料电池稳态耐久性实验，其性能衰减率为0.5 μV/h。利用稳态法得到的燃料电池耐久性测试结果较好，然而并不能用来表征车载条件下的燃料电池耐久性，在汽车运行环境中，燃料电池要经历多种运行工况的变化。

动态法是指车辆实际运行过程中，燃料电池堆输出功率随载荷变化的过程，该过程会引起缺气和电压频繁变化，造成燃料电池堆的衰减。汽车运行过程中燃料电池堆主要经历开路、启停、怠速、额定、过载、加减载、匀速等工况，不同工况间的变化会引起电堆的变载，因此变载工况下电堆的耐久性测试成为近年来的研究热点。2009年，陆鑫等用怠速稳定性、变工况加载、循环变工况加载稳定性等集合制定的测试工况进行车况条件下的寿命测试。2010年，侯中军等利用自制的测试工况进行了1 000 h燃料电池堆的寿命测试。

下面介绍几种常用的车用燃料电池堆耐久性测试工况。

(1)IEC标准耐久性测试工况

IEC标准车用燃料电池堆耐久性试验工况由市区循环和市郊循环组成，包括启停、怠速、加减载、额定以及匀速行驶等日常行驶中的常见工况，开路、低载和怠速工况占比41.4%，额定工况占比3.7%，工况循环一次时长为1 180 s。该工况功率分布范围广，其中在动态循环工况部分功率跨度从5% PE(燃料电池堆额定功率)到100% PE，各功率占比时间合理，但缺少过载这一典型工况。

(2)DOE耐久性测试工况

DOE车用燃料电池堆耐久性测试工况具有高速度和高加速度特点，最高车速为129.2 km/h，平均车速为77.9 km/h，包含怠速、加减载、匀速和额定等常见工况，开路、低载和怠速工况占比30.0%，额定工况占比9.7%，过载工况占比5.6%，循环一次时长为360 s。该工况包括了所有作为车用燃料电池堆衰减主要原因的4个典型工况，功率跨度大且各功率点时间占比合理，但常用功率点过少。

(3)HYZEM耐久性测试工况

HYZEM车用燃料电池堆耐久性测试工况由市内循环、市郊循环和高速循环3个部分组成，平均速度40.4 km/h，平均加速度0.71 m/s，最大加速度1.3 m/s，包括怠速、启停、加减载等常见工况，工况循环一次时长为540 s。该工况特点鲜明，比NEDC工况代表了更多的驾驶工况，且稳定速度部分要少很多，电流点分布合理，但缺少匀速行驶工况。

(4)同济大学耐久性测试工况

同济大学车用燃料电池堆耐久性测试工况包含怠速、额定、启停、加减载以及匀速等常见工况，开路、低载和怠速工况占比37.9%，过载工况占比2.4%，额定工况占比9.2%，各工况占比时间合理，工况循环一次时长为1 200 s。该工况包括了所有作为车用燃料电池堆衰减主要原因的4个典型工况，其中在动态循环工况部分功率跨度从8% PE到120% PE，且包含了过载工况，功率分布范围更大。

(5)清华大学耐久性测试工况

清华大学车用燃料电池堆耐久性测试工况由怠速、低速、匀速、中速和高速等14个工况构成，开路、低载和怠速工况占比28.3%，额定工况占比51.7%，过载工况占比3.3%，最高车速60 km/h，平均车速16.1 km/h，最大加速度1.543 m/s，工况循环一次时长为60 min。该工况具有国内公交车日常行驶的特点，包含了导致车用燃料电池堆衰减的4个典型工况；动态循环工况中电流跨度从3.7% IE(额定功率点对应的额定电流)到120% IE，各功率点时间占比均匀，符合公交车实际运行时的功率分布，但额定功率部分时间占比较大。

4 结论

商用车用燃料电池堆耐久性测试工况的合理性是影响测试结果可靠性的关键因素之一。文中以商用车用燃料电池堆为研究对象，首先，介绍了商用车用燃料电池堆的发展现状，我国现已初步掌握了燃料电池堆和关键材料等的配套研发体系。其次，概述了燃料电池堆的性能衰减因素，主要包括设计及工艺因素、材料因素、健康因素以及运行因素。最后，总结了几种常用的车用燃料电池耐久性测试工况特征。

在此基础上对商用车用燃料电池堆耐久性测试工况进行了展望：① 进一步研究商用车用燃料电池堆的性能衰减因素；② 建立商用车用燃料电池堆耐久性测试方法。