30kW级质子交换膜燃料电池发动机性能测评对比研究
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背景：
在世界范围内，氢能燃料电池汽车整体正处于商业化初期。从燃料电池汽车核心技术及成本因素考虑，国际氢能燃料电池汽车商业化阵营可分为3个梯队，如图1示。
图1 燃料电池电动汽车发展梯队（2018年数据）
随着国内30-50 kW级质子交换膜燃料电池电堆/系统制造水平的进步、国家燃料电池汽车财政补贴政策倾向以及商用车应用的需要，搭载30 kW级质子交换膜燃料电池发动机或增程器的氢燃料电池汽车市场发展迅猛，已成为发展主流，并有可能重新定义30 kW系统在世界燃料电池汽车商业化应用中的地位。
由于燃料电池汽车正处于商业化初期，国际先进技术封锁及国内商业化样本偏少，相关商业化燃料电池发动机性能、标准法规的分析及对比研究不多。
本文基于国家级第三方汽车检测机构丰富的燃料电池整车、系统及核心零部件检测数据库，选取典型样品，进行了典型30 kW级国际主流企业商业化燃料电池发动机、国际技术背景合资企业商业化发动机和国内主流企业商业化发动机的性能对比分析及综合评价研究。
研究包括极化曲线对比、电堆功率输出和效率对比、发动机功率输出和效率对比、辅助系统功率和功率因子对比、氢耗率和氢流量对比等系列研究。
研究方法：
目前，燃料电池相关国家标准已发布60余项。其中，涉及到氢能燃料电池汽车市场准入和补贴政策的新能源专项测试项目9项。
表1 氢能燃料电池相关的新能源专项测试条目
以新能源专项标准为导向，基于国家机动车产品质量监督检测中心（上海）针对新能源专项测试和委托研发测试的数据库（该中心目前在氢燃料电池相关的公告和委托类测试占比50%以上），对进入商业化以来不同类型的测试需求进行统计，如图1(a)所示。另对不同功率级别系统的测试需求进行统计，如图1(b)所示，新补贴政策推出后30 kW级燃料电池发动机性能测试占比61%，也确定了本文现阶段对测试样本功率级别的选择。
图2 (a)商业测试需求及(b)FCE功率级别统计
结果与讨论：
- 极化特性曲线
通过在一定温度与气体压力下，改变负载电阻的大小，测量燃料电池输出电压与输出电流之间的关系得到燃料电池电堆极化特性曲线，如图3所示。由图3可知，所有燃料电池开路电压（OCV）均处于0.8～1 V之间，这是因为燃料电池工作过程中总有一部分能量将转化成热能或内部短电流消耗掉。
国际主流品牌电堆的OCV较高，在温度等条件相似的前提下，说明其催化剂拥有更高的活性，但相比之下极化特性表现略差；国内主流品牌电堆在中低电流密度下极化特性表现最好；国际背景合资公司产品的电压随电流密度下降最慢，呈现了较好的U-I特性。
图3 极化特性曲线性能对比
2.燃料电池发动机效率曲线及电堆、辅助系统效率曲线
图4 (a)电堆功率/效率-电流曲线对比、(b)发动机功率/效率-电流曲线对比和(c)辅助系统功率/功率因子-电流曲线对比
3. 氢耗-电流曲线
通过对比燃料电池电堆/系统氢耗率及氢流量随电流变化曲线，如图5所示，发现国际和国内主流品牌电堆整体氢耗率水平较低（国内主流电堆氢耗率最低），较为节能，但电堆耗氢率随电流增加而显著增大；国际背景合资企业的电堆氢耗率较高，但平稳维持在55～60 g/kW·h的水平，说明其氢耗对于电堆动态拉载适应性较好。
图5 燃料电池电堆氢耗率/系统氢耗率/氢流量-电流曲线对比
在此基础上，利用AHP层次分析法进行综合性能评定打分。本文设置燃料电池发动机综合性能为目标层。目标层分为稳态性能、起动性能、动态性能和安全性能4个准则层指标。准则层又分为发动机额定功率、额定工况/常用工况效率、额定功率密度、噪声、额定功率启动时间、怠速冷/热启动时间、动态响应时间、绝缘性、气密性，电堆最大功率密度、最大氢气利用率等指标层指标，并根据试验经验和专家意见设置准则层和指标层的权重。得到的国际主流制造商、国际背景合资企业和国内主流综合性能评分如图6所示，国际主流制造商产品依然获得了最高的评分，主要原因在于其高功率密度（权重值较高）、优异的额定功率拉载性能（权重值较高）、良好的动态性能和较好的气密性，这也是国内同类产品的软肋。国内主流制造商在启动性能上表现最好，但由于其在动态响应能力和气密性上得分过低，导致加权后的综合性能得分最低。
图6 燃料电池发动机综合性能评分
结论：
- 通过对比极化特性曲线、功率和效率，得出国内30 kW级电堆和系统的电性能与国外进入中国市场的同类商业化产品已处于同一水平，甚至更好；
- 由于氢能燃料电池汽车商业化处于初级阶段，国际和国内主流企业均存在其辅助系统核心部件（空压机、氢循环泵等）选型不理想的问题，影响了整体的系统输出，需要进一步优化；国际背景合资企业通过吸收国内外技术，获得了更好的系统配置和稳定性，但其功率、效率整体水平偏低，氢耗水平偏高的劣势仍有待完善；
- 综合评价上，国际主流制造商产品依然获得了最高评分，主要原因在于其高功率密度（权重值较高）、优异的额定功率拉载性能（权重值较高）、良好的动态性能和较好的气密性，这也是国内同类产品的软肋；通过多种试验经验，发现国内系统在技术成熟度上基本处在TRL3-TRL4级试验样机阶段，如果加上环境适应性（耐温、耐湿、盐雾、IP防护等）、可靠性、EMC等对比指标，将会更加落后于处在TRL8-TRL9级的成熟的国际主流商业化产品。
参考文献：
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如需引用原文，请参阅：裴冯来. 典型30 kW级质子交换膜燃料电池发动机性能测评对比研究[J]. 储能科学与技术, 2018, 7(3): 519-523.
典型30 kW级质子交换膜燃料电池发动机性能测评对比研究