燃料電池溫度沖擊試驗(yàn)分析

于莎　莊昕

摘 要：質(zhì)子交換膜燃料電池是我國新能源發(fā)展的重要方向之一，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)作為載體，在眾多領(lǐng)域中已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用。溫度沖擊和冷熱沖擊是質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性考核的重要內(nèi)容，通過受熱零件熱脹冷縮應(yīng)力變化，能夠驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)及其組件密封可靠性和機(jī)械可靠性等性能，為產(chǎn)品優(yōu)化改進(jìn)、定型和放行提供依據(jù)。目前，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)溫度沖擊試驗(yàn)和冷熱沖擊試驗(yàn)的研究較少，本文匯總分析了標(biāo)準(zhǔn)文件中溫度沖擊和冷熱沖擊循環(huán)工況試驗(yàn)相關(guān)要求，分析了試驗(yàn)循環(huán)工況設(shè)計(jì)思路和試驗(yàn)過程注意事項(xiàng)，為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性研究提供參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī) 溫度沖擊 冷熱沖擊

Temperature and thermal shock test analysis of fuel cell engine

Yu Sha Zhuang Xin

Abstract：Proton exchange membrane fuel cell is one of the important directions of new energy development in China. As a carrier， fuel cell engine has been commercialized in many fields. Temperature shock and cold/hot shock are important contents in reliability assessment of proton exchange membrane fuel cell engine. The sealing reliability and mechanical reliability of engine and its components can be verified by the change of thermal expansion and contraction stress of heated parts， which provides basis for product optimization， improvement， finalization and release. At present， the fuel cell engine temperature impact test and hot and cold impact test study is less， this article summary analysis of the standard file temperature shock and cold and hot shock tests driving cycles related requirements， design test driving cycles are analyzed and the matters needing attention during the test， to provide the reference for the fuel cell engine reliability study.

Key words：Fuel cell engine; temperature shock; cold/hot shock

1 前言

化石能源推動(dòng)了人類社會(huì)的巨大發(fā)展，但是歷史發(fā)展到今天，能源危機(jī)、環(huán)境污染及溫室效應(yīng)等問題促使世界向新能源可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型。氫能作為一種清潔的二次能源，通過光伏發(fā)電、風(fēng)電、水電等電解水制氫，可以將大自然中的能量以氫能的形式儲(chǔ)存和使用，具有可持續(xù)發(fā)展的前景[1]。

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種高效的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置，可以將氫氣和空氣中氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，反應(yīng)產(chǎn)物為水[2]，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、無有害排放物質(zhì)和易于操作等優(yōu)點(diǎn)，是解決全球能源問題和氣候變化的理想方案之一[1]。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是氫能燃料電池的一種應(yīng)用，在交通運(yùn)輸、船舶、發(fā)電、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械和航天等領(lǐng)域均已開展商業(yè)化應(yīng)用，特別是在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，我國制定了系列政策推動(dòng)氫能和燃料電池發(fā)展，規(guī)劃2030～2035年實(shí)現(xiàn)100萬輛燃料電池汽車商業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展目標(biāo)。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的指標(biāo)包括性能、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、耐久性和NVH性能等。目前，在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的功率密度，安全性指標(biāo)的氣密性、絕緣性能、尾氣排放，耐久性指標(biāo)的壽命，NVH性能指標(biāo)的振動(dòng)及噪聲，環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)的低溫啟動(dòng)性能和高溫散熱性能方面做的研究較多，且已發(fā)布或正在制定系列國家標(biāo)準(zhǔn)，大大推動(dòng)了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。隨著國家推動(dòng)的“燃料電池示范應(yīng)用”和“氫進(jìn)萬家”工作的不斷推進(jìn)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)更加完善，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在新能源動(dòng)力領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)性會(huì)不斷提高。

在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理方面，目前主要以燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱、燃料電池堆熱管理和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)等研究為主，國家標(biāo)準(zhǔn)以溫度存儲(chǔ)和溫度適應(yīng)性等內(nèi)容為主。雖然溫度沖擊和冷熱沖擊已經(jīng)分別制定了地方標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，但是公開的相關(guān)研究很少，許永亮等研究了車用燃料電池電堆環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，介紹了燃料電池電堆溫度沖擊試驗(yàn)情況，文章指出目前沒有燃料電池電堆溫度沖擊標(biāo)準(zhǔn)文件指導(dǎo)，只能參考電工電子產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，且相關(guān)研究也非常少[3]。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文從標(biāo)準(zhǔn)文件中溫度沖擊和冷熱沖擊要求出發(fā)，探討溫度對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，并通過標(biāo)準(zhǔn)文件中試驗(yàn)要求，分析試驗(yàn)循環(huán)工況設(shè)計(jì)思路和試驗(yàn)過程注意事項(xiàng)，為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)溫度沖擊和冷熱沖擊研究提供參考。

2 溫度對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)由燃料電池堆、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成，各個(gè)系統(tǒng)及其組件均需要密封并保證機(jī)械和化學(xué)可靠性，以保證燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

燃料電池堆是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，工作溫度的高低從膜電極層面到電堆層面對(duì)性能及壽命均產(chǎn)生顯著影響[4]，溫度升高會(huì)造成燃料電池堆內(nèi)部溫度分布不均勻，質(zhì)子交換膜水含量減少，輸出性能和燃料電池堆部件壽命不可逆衰減[5]。因此，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)一般設(shè)置有最高工作溫度和最大進(jìn)出口溫度差限值，防止因?yàn)楦邷卦斐赡る姌O損傷，從而使燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰減。

目前，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)及其組件多為卡箍緊固，環(huán)境溫度急劇變化，會(huì)影響與環(huán)境直接接觸的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)部件結(jié)構(gòu)性能，如果部件結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞會(huì)影響密封性能和可靠性。如在低溫環(huán)境條件下，密封件可能因彈性降低造成介質(zhì)泄漏等。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度交替變化，受熱零件因熱脹冷縮發(fā)生應(yīng)力變化，影響發(fā)動(dòng)機(jī)及其組件密封可靠性和機(jī)械可靠性等，從而影響燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能。如膜電極機(jī)械性能產(chǎn)生不可逆破壞，會(huì)影響燃料電池堆性能輸出，造成燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰減。

通過溫度變化，能夠驗(yàn)證燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝及質(zhì)量等存在的缺陷，為產(chǎn)品改進(jìn)、定型和放行提供依據(jù)。

3 溫度沖擊試驗(yàn)分析

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在不同的環(huán)境溫度條件下使用，溫度沖擊試驗(yàn)主要考核環(huán)境溫度對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，DB37/T 4098-2020《質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)安全性技術(shù)要求》中規(guī)定了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)溫度沖擊試驗(yàn)要求。其中，依據(jù)GB/T 33978-2017《道路車輛用質(zhì)子交換膜燃料電池模塊》中存儲(chǔ)溫度要求，選取了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)溫度沖擊的低溫環(huán)境溫度為-40℃，高溫環(huán)境溫度為60℃。在考慮燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性基礎(chǔ)上，試驗(yàn)循環(huán)參考了GB 38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》中溫度循環(huán)。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)溫度沖擊試驗(yàn)循環(huán)工況的要求見表1，循環(huán)工況示意圖見圖1。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)溫度沖擊試驗(yàn)在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境倉進(jìn)行，試驗(yàn)過程中溫度實(shí)際值與目標(biāo)值誤差應(yīng)在±2℃以內(nèi)。

按照表1循環(huán)10次，試驗(yàn)后分別進(jìn)行氣密性試驗(yàn)和絕緣電阻試驗(yàn)，驗(yàn)證燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性。

4 冷熱沖擊試驗(yàn)分析

冷熱沖擊試驗(yàn)主要考核冷卻液溫度對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)影響，T/CSAE 236-2021《質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架可靠性試驗(yàn)方法》中規(guī)定了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)啟停工況可靠性試驗(yàn)，循環(huán)工況包括啟動(dòng)、熱機(jī)、怠速、停機(jī)過程。試驗(yàn)過程中，冷卻液溫度在常溫和最高工作溫度之間交替變化，也可稱為冷熱沖擊試驗(yàn)。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊試驗(yàn)循環(huán)工況要求見表2，循環(huán)工況示意圖見圖2。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊試驗(yàn)的具體步驟如下所示：

a）按照技術(shù)要求啟動(dòng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)并進(jìn)行熱機(jī)，待燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液出口溫度達(dá)到熱機(jī)要求溫度值（如無要求，按照45℃進(jìn)行）后進(jìn)行啟停循環(huán)工況測(cè)試；

b）按照表2依次運(yùn)行各個(gè)工況：?jiǎn)?dòng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)后，按照供應(yīng)商指定的要求加載至額定工況，額定工況下穩(wěn)定運(yùn)行3min后停機(jī)，停機(jī)后在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)允許的范圍內(nèi)快速對(duì)燃料電池冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，冷卻至燃料電池系統(tǒng)出水溫度達(dá)到室溫。

c）至此完成一個(gè)循環(huán)，歷時(shí)6min±1min；

燃料電池冷熱沖擊試驗(yàn)在燃料電池系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架上進(jìn)行，試驗(yàn)過程中溫度實(shí)際值與目標(biāo)值誤差應(yīng)在±2℃以內(nèi)。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度控制可用冷熱沖擊專用試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行控制，也可用燃料電池系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架的冷卻系統(tǒng)（冷水機(jī)）進(jìn)行控制。冷熱沖擊專用試驗(yàn)設(shè)備配置有冷水箱和熱水箱，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，切換為熱水箱，縮短熱機(jī)到額定功率運(yùn)行期間冷卻液升溫時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后切換為冷水箱，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)水泵繼續(xù)運(yùn)行，直至冷卻液溫度達(dá)到常溫或25℃±2℃，縮短燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)降溫時(shí)間。冷卻液溫度控制用燃料電池系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架的冷卻系統(tǒng)（冷水機(jī)）進(jìn)行控制時(shí)，升溫時(shí)，冷卻液溫度由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)自身產(chǎn)生的熱量進(jìn)行溫度提升，在溫度達(dá)到要求后穩(wěn)定相應(yīng)的時(shí)間；降溫時(shí)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的水泵繼續(xù)運(yùn)行，冷卻液由燃料電池系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架的冷卻系統(tǒng)（冷水機(jī)）進(jìn)行換熱降溫，從而實(shí)現(xiàn)溫度降低。

試驗(yàn)時(shí)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水路小循環(huán)關(guān)閉，大循環(huán)開啟，目的是降溫過程實(shí)現(xiàn)快速降溫。在升溫過程中，由于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)冷卻液進(jìn)出口溫度差有限制要求，因此熱機(jī)過程需進(jìn)行調(diào)試設(shè)置，否則會(huì)影響燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文針對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)溫度沖擊和冷熱沖擊研究較少的現(xiàn)狀，通過分析溫度對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)文件中對(duì)溫度沖擊和冷熱沖擊的試驗(yàn)要求，探討了試驗(yàn)循環(huán)工況設(shè)計(jì)思路和試驗(yàn)過程注意事項(xiàng)，為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)溫度沖擊及冷熱沖擊試驗(yàn)考核提供參考，為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能及可靠性提升提供助力。

參考文獻(xiàn)：

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