GB/T 24554-2022《燃料電池發動機性能試驗方法》標準分析

孫田 王培中 郝冬 蘭昊 陳光

摘 要：近年來國內燃料電池電動汽車產業迅速發展，燃料電池發動機作為燃料電池汽車的動力核心，其關鍵部件研發及系統集成技術隨之不斷更新，原有燃料電池發動機測試評價相關標準亟需升級完善。因此，為適應新的技術現狀，我國于2022年12月發布了GB/T 24554-2022《燃料電池發動機性能試驗方法》標準。老版GB/T 24554-2009《燃料電池發動機性能試驗方法》已實施十余年，此次GB/T 24554-2022的發布實施，對于完善燃料電池發動機測試評價方法，促進燃料電池產業可持續健康發展具有重要意義。本文主要闡述GB/T 24554-2022中主要技術內容及其與2009版標準的異同。

關鍵詞：燃料電池發動機，試驗方法，標準

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.07.025

基金項目：本文受國家重點研發計劃項目“車載儲能系統安全評估技術與裝備”（項目編號：2021YFB2501500）資助。

Analysis of GB/T 24554-2022， Performance Test Methods For Fuel Cell System

SUN Tian1，2 WANG Peizhong1，2 HAO Dong1，2 LAN Hao2 CHEN Guang1，2

〔1. CATARC New Energy Automotive Test Center （Tianjin） Co.， Ltd.； 2. China Automotive Technology and Research Center Co.， Ltd.〕

Abstract： In recent years， the domestic fuel cell electric vehicle industry has developed rapidly. As the power core of the fuel cell vehicle， the key component research and development and system integration technologies of the fuel cell engine have been constantly updated. The previous standards related to the test and evaluation of the fuel cell engine need to be revised and upgraded. In order to adapt to the new technical situation， China issued the national standard GB/T 24554-2022， Performance test methods for fuel cell system in December 2022. The old version of GB/T 24554-2009 has been implemented for more than ten years. The release and implementation of GB/T 24554-2022 is of great signifi cance for improving the test and evaluation methods for fuel cell engines and promoting the sustainable and healthy development of the fuel cell industry. This paper mainly describes main technical contents of GB/T 24554-2022 and the similarities and differences with the 2009 version.

Keywords： fuel cell engine， test method， standard

0 引 言

近年來，我國高度重視氫能與燃料電池產業的發展。《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》《“十四五”全國清潔生產推行方案》《國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》等政策規劃中都明確指出，加速推進氫能及燃料電池技術在不同行業的研究與規模化應用。隨著燃料電池電動汽車示范運行政策實施，多款燃料電池電動汽車大規模投入運營，國內燃料電池電動汽車產業迅速發展，推動燃料電池相關部件到整車的全產業鏈綜合研發及測試評價能力建設。

燃料電池發動機作為燃料電池電動汽車的動力核心，由燃料電池堆、空壓機、氫泵、水泵、PTC等輔件組成，其工作特性直接影響燃料電池電動汽車性能。因此，針對燃料電池發動機性能的試驗方法，我國于2009年10月30日發布了GB/T 24554-2009《燃料電池發動機性能試驗方法》[1]標準（以下簡稱2009版標準）。2009版標準中規定了燃料電池發動機的常規性能試驗方法，為推動燃料電池行業發展起到了重要作用。而伴隨產業技術飛速發展，該標準已無法滿足現階段行業發展需求。因此，全國汽車標準化技術委員會電動車輛分技術委員會組織行業機構和企業對2009版標準進行了修訂。2022年12月30日，GB/T 24554-2022《燃料電池發動機性能試驗方法》標準[2]（以下簡稱2020版標準）正式發布。本文將重點分析2022版標準的主要技術內容，并將其與2009版標準進行對比分析。

1 標準主要技術內容

2022版標準共分為8章，規定了燃料電池發動機性能試驗方法，其內容主要包括：范圍，規范性引用，術語和定義，測量參數、單位和準確度，試驗條件，一般試驗要求，預處理方法，試驗方法。本文對標準的關鍵性技術內容進行介紹與分析。

1.1 起動特性試驗

起動特性試驗，主要是基于燃料電池汽車在不同狀態、不同環境的起動場景來考量燃料電池發動機的起動特性。起動特性試驗主要分為常溫起動特性試驗和低溫起動特性試驗。

1.1.1 常溫起動特性試驗

本部分規定在常溫環境（23℃±5℃）中，燃料電池發動機分別進行由冷機狀態起動至怠速狀態（或燃料電池發動機最低功率點）、由冷機狀態起動至額定狀態、由熱機狀態起動至怠速狀態（或燃料電池發動機最低功率點）、由熱機狀態起動至額定狀態四次起動，起動后要在相應工況點持續運行10 min，則認定起動成功。該過程中需要記錄起動時間、燃料電池發動機電壓等數據。其中熱起動中，要求熱機結束后（即燃料電池堆出水口溫度達到制造廠商規定溫度值），停機10 s，然后再按照制造商規定的操作步驟起動燃料電池發動機。

1.1.2 低溫起動特性試驗

低溫環境溫度可由制造廠商自行決定。但該溫度必須低于0 ℃，且在低溫浸機和起動過程中溫度波動不得超過設定值的±1 ℃。該部分規定燃料電池發動機在低溫環境中，燃料電池發動機浸機12 h以上后，分別進行起動至怠速（或燃料電池發動機最低功率點）、起動至額定兩次起動試驗。起動至怠速（或燃料電池發動機最低功率點）和額定狀態后燃料電池發動機持續運行10 min，則認定起動成功。

1.2 額定功率試驗

額定功率試驗，主要是結合燃料電池汽車在高速運行下燃料電池發動機大功率持續運行的需求考量燃料電池發動機大功率穩定運行能力。額定功率試驗部分，要求燃料電池發動機在完成熱機后，在怠速點（或燃料電池發動機最低功率點）運行10 s后按照規定方式（加載方式見圖1）加載至額定功率且持續運行63 min，且以有效測量時長60 min運行功率的平均值作為燃料電池發動機額定功率的測量值，額定功率標稱值則為額定功率測量值的整數部分，同時要求燃料電池發動機在有效測量時長中的輸出功率應始終處于60 min平均功率的97%～103%之間。

1.3 峰值功率試驗

峰值試驗是考慮燃料電池汽車在急加速或高速運行過程中需要燃料電池發動機提供極限功率的實際使用場景。峰值功率試驗部分，要求燃料電池發動機在完成熱機后，在怠速點（或燃料電池發動機最低功率點）運行10 s后按照規定加載方式加載至額定功率且持續運行10 min，然后按照規定的加載方式加載至所設定的峰值功率并在該功率點持續運行一段時間，時間長度由制造廠商自行規定，到達設定時間后按照制造廠商規定的卸載方式進行卸載。

1.4 動態響應特性試驗

動態響應測試中，為評價燃料電池汽車在加速或制動過程燃料電池發動機加載和降載特性。試驗分為加載動態響應試驗和卸載動態響應試驗兩部分。

1.4.1 加載動態響應試驗

加載動態響應試驗部分，要求燃料電池發動機在完成熱機后，在怠速點（或燃料電池發動機最低功率點）運行10 s后按照規定加載方式加載至動態響應的起始功率點且在該點至少穩定運行1 min，測試平臺向燃料電池發動機發送動態階躍指令，測試平臺按照規定方式加載直至到達動態階躍的截止點，燃料電池發動機在該點持續運行至少10 min。推薦取怠速（或燃料電池發動機最低功率點）狀態～90%PE（燃料電池發動機額定功率）的響應時間作為評價燃料電池發動機的加載動態響應指標。

1.4.2 卸載動態響應試驗

卸載動態響應試驗部分，要求燃料電池發動機在完成熱機后，在怠速點（或燃料電池發動機最低功率點）運行10 s后按照規定加載方式加載至動態響應的起始功率點且在該點至少穩定運行1 min，測試平臺向燃料電池發動機發送動態階躍指令，測試平臺按照規定方式卸載直至到達動態階躍的截止點，燃料電池發動機在該點持續運行至少10 min。推薦取90%PE～怠速（或燃料電池發動機最低功率點）狀態的響應時間作為評價燃料電池發動機的加載動態響應指標。

1.5 穩態特性試驗

穩態特性試驗是衡量燃料電池發動機及其部件在不同工況點極化特性、輸出特性、經濟特性的主要方法。穩態特性試驗部分，要求燃料電池發動機在其工作范圍內選擇的工況點分別是怠速（或燃料電池發動機最低功率點）、10%PE、20%PE、30%PE、40%PE、50%PE、60%PE、70%PE、80%PE、90%PE。在完成熱機后，回到怠速（或燃料電池發動機最低功率點）運行10 s后按照規定加載方式加載至預先確定的工況點（按照從低到高順序加載），在每個工況點至少運行3 min，且每個工況點分析數據的時間長度不得少于2 min。本試驗項目中數據處理結果包括額定功率點和峰值功率點，試驗數據采用2.2和2.3中介紹的試驗結果，不需重復進行。試驗過程中要記錄燃料電池發動機電壓及電流、氫氣消耗量、輔助系統電壓及電流，繼而可得到：燃料電池堆的極化特性曲線（V-I曲線）、燃料電池堆的功率曲線、燃料電池堆的效率曲線、燃料電池發動機的功率曲線、燃料電池發動機的效率曲線、輔助系統的功率曲線等。

1.6 高溫運行試驗

由于燃料電池工作過程中散熱量較大，因此在運行過程中對散熱系統可靠性具有較高要求。高溫運行試驗前，燃料電池發動機要在（45±2）℃的高溫環境中浸機2 h，同時需要注意的是在燃料電池發動機高溫運行試驗中，用于燃料電池發動機的散熱器或者熱交換器應置于環境艙中。燃料電池發動機在浸機完成后，按照測試平臺規定的方法加載至額定功率且持續運行63min，要求燃料電池發動機在有效測量時長中的輸出功率應始終處于60min平均功率的95%～105%之間。

1.7 動態平均效率特性試驗

燃料電池汽車在運行過程中，面對不同工況需要頻繁加減載。在動態工況下燃料電池發動機效率與穩態工作時存在一定差異。動態平均效率特性試驗中，引用GB/T 34593—2017第5.2.2[3]中規定的試驗方法進行測試。燃料電池發動機熱機后回到怠速點運行10 s，然后按照表1工況運行，運行完成后按照制造商規定停機即可。試驗需要進行三次，試驗結果求平均值。

1.8 燃料電池發動機氣密性測試

燃料電池發動機氣密性測試是衡量燃料電池發動機安全性的重要手段之一。燃料電池發動機氣密性測試中包括氫氣側保壓和氫空液三側保壓兩項測試。標準中規定要在冷機狀態下進行燃料電池發動機氣密性測試。

氫氣側保壓測試中，關閉燃料電池堆的氫氣排氣端口，從氫氣進氣端口充入氦氮混合氣體（氦氣濃度不低于10%），保壓 20 min，記錄壓力下降值。從氫氣進氣端口充入氦氮混合氣體（氦氣濃度不低于10%）壓力設定值與燃料電池發動機氫氣側工作壓力有關，二者關系見表2。

氫空液三側保壓測試中，關閉燃料電池發動機氫氣排氣端口、空氣排氣端口、冷卻液出口，同時向氫氣流道、空氣流道、冷卻液流道加注氦氮混合氣體（氦氣濃度不低于10%），壓力均設定為正常工作壓力，壓力穩定后關閉進氣閥門，保壓20 min，記錄壓力下降值。

1.9 絕緣電阻測試

由于燃料電池發動機在工作過程中輸出高壓功率，因此絕緣電阻特性是評價燃料電池發動機電安全的重要方法之一。標準中規定，要在所有性能測試項目完成后方可進行絕緣電阻測試。燃料電池發動機處于冷機狀態，用兆歐表分別測量燃料電池發動機正對地和負對地的絕緣電阻值，其中兆歐表量程根據燃料電池堆工作電壓選擇，若燃料電池堆工作電壓最大值低于250 V，兆歐表選用500 V量程，若工作電壓最大值大于250 V且低于1000 V，兆歐表選用1000 V量程。

如果燃料電池發動機輔助系統中工作電壓以GB 18384《電動汽車安全要求》[4]中規定的B級電壓運行（即最大工作電壓高于60 V且不高于1500 V）時，也需要單獨測量絕緣電阻值，其中兆歐表的量程選擇同燃料電池發動機一致。可將燃料電池發動機和所有B級電壓部件的絕緣阻值并聯值作為燃料電池發動機的絕緣值。

1.10 質量及功率密度測試

質量及功率密度測試中主要包含燃料電池發動機質量及質量功率密度和燃料電池堆體積功率密度兩項測試。

1.10.1 燃料電池發動機質量及質量功率密度測試

燃料電池發動機質量測試要求對燃料電池模塊、空氣供應系統、氫氣供應系統、水熱管理系統控制系統及其他部件進行稱重。稱重部分的原則為結構完整、能夠實現燃料電池發動機的基本性能且與裝車狀態一致，連接高壓氫氣源及散熱器后即可正常工作。

1.10.2 燃料電池堆體積功率密度測試

燃料電池堆體積功率密度測試，要求測量電堆的體積，即分別量取兩個端板之間寬度、雙極板外廓長度及高度，計算電堆外輪廓體積減掉空白區域體積即為電堆體積，然后以燃料電池堆額定功率實測值計算燃料電池堆體積功率密度（單位為kW/L）。

2 與2009版標準的比較

2.1 新增或變動內容分析

相較于2009版標準，2022版標準更著重燃料電池發動機工作性能的測試，貼近燃料電池電動汽車整車中對燃料電池發動機的基本性能需求。2022版標準中新增或刪減的內容如表3所示。

（1）對于功率加載誤差，2009版標準中沒有明確說明，2022版標準中進一步規范了測試方法，增加了加載功率實際值與加載功率設定值不得高于3%（不足1 kW的取1 kW）的誤差的要求。

（2）對于起動特性，2009版標準中只考慮了常溫環境下燃料電池發動機在冷熱機狀態起動至怠速狀態測試，未考慮在實際情況常溫環境下燃料電池電動汽車中起動后大功率拉載及低溫環境下燃料電池汽車起動的實際使用場景。因此2022版標準中增加了常溫環境下額定功率冷起動和熱啟動測試、低溫環境冷起動試驗。2009版標準中沒有常溫額定功率冷熱機起動和低溫冷起動測試內容。

（3）對于動態平均效率特性試驗，2009版標準未有相關性能的試驗方法，而2022版標準考慮到對動態循環工況下燃料電池發動機氫氣經濟性指標的考核，增加了動態平均效率特性試驗。

（4）對于高溫運行試驗，2009版標準未有相關性能的試驗方法。而2022版標準，基于燃料電池電動汽車在高溫環境下運行的實際需求，增加了高溫運行試驗，考核燃料電池發動機在高溫條件下運行的可靠性。

（5）對于燃料電池堆體積質量功率密度測試，2009版標準未有相關測試方法介紹，且目前行業內對燃料電池堆體積測量方法不一致。2022版標準提出了燃料電池堆體積及體積功率密度測試方法，統一了測試方法，保障了評價的一致性。

（6）對于輔助系統功率規定，2009版標準沒有明確規定，由于燃料電池發動機性能試驗中散熱方案存在散熱器風扇、板換等多種冷卻方案，且進行燃料電池發動機試驗時散熱器風扇運轉狀態與在整車中差異較大，因此將散熱器功率作為輔助系統功率會引起較大爭議。2022版標準明確說明輔助系統功率包括空壓機、水泵、氫循環泵、控制器等部件消耗的功率，散熱器風扇的功率不計入輔助系統功率內。

（7）對于額定功率試驗，2009版標準中規定燃料電池發動機完成熱機后按照測試平臺規定方法加載到額定功率點運行60 min，沒有實際輸出功率波動范圍要求，而2022版標準，規定燃料電池發動機加載到額定功率點運行63 min，取后60 min為有效測試時長，要求波動不得超過60 min燃料電池發動機輸出功率平均值±3%的范圍。

（8）對于燃料電池發動機氣密性測試，2009版標準規定氫氣側保壓壓力設定值為50 kPa，而對于部分低壓燃料電池堆無法承受50 kPa的壓力，因此2022版標準規定氫氣側保壓壓力設定值可根據燃料電池發動機氫氣側實際工作壓力選擇。

（9）對于絕緣電阻測試，2009版標準要求是在熱機且轉水泵的狀態下測量，而且沒有規定兆歐表的量程。水泵運轉狀態下測試絕緣電阻非常危險，燃料電池發動機在不同兆歐表量程下測試絕緣電阻數值會存在一定差異，因此在2022版標準中取消了水泵運轉的要求，而且規定了兆歐表量程根據燃料電池發動機最大工作電壓選擇，同時還要求如果輔助系統部件以B級電壓運行時要將燃料電池發動機和所有檢測B級電壓部件的絕緣阻值的并聯阻值作為燃料電池發動機絕緣值，以系統層級更加客觀科學地反應絕緣阻值。

（10）對于功率密度測試，2009版標準對于稱重范圍規定較為籠統，2022版標準則對稱重范圍及邊界條件有了明確的說明。而且在2022版標準中，增加了燃料電池發動機質量功率密度、電堆體積功率密度的測試項目，彌補了現階段對于功率密度測試評價方法不統一的行業空白。

（11）對于測試順序，2009版標準沒有相關推薦及規定。2022版標準則推薦測試項目的順序，并明確要求絕緣電阻測試放在所有性能測試項目結束后進行。

2.2 刪除內容分析

相較于2009版標準，2022版標準更加全面地關注燃料電池發動機的工作性能和環境適應性。2009版標準中的緊急停機測試因不符合行業的技術發展趨勢，故在2022版標準中已被刪除。

3 結 語

本文通過對GB/T 24554-2022《 燃料電池發動機性能試驗方法》標準的主要內容進行分析，并將其與GB/T 24554-2009《燃料電池發動機性能試驗方法》標準進行比較，闡釋了2022版標準中主要技術要求的變動情況。本文的分析有助于相關企業及技術人員較好理解2022版標準中變動，有利于推動燃料電池發動機技術快速發展。

參考文獻

[1]燃料電池發動機性能試驗方法：GB/T 24554-2009[S].

[2]燃料電池發動機性能試驗方法：GB/T 24549-2022[S].

[3]燃料電池發動機氫氣排放測試方法：GB/T 34593-2017[S].

[4]電動汽車安全要求：GB 18384-2020[S].

作者簡介

孫田，碩士研究生，工程師，主要研究方向為燃料電池系統測試及應用。

（責任編輯：袁文靜）