文|万象硬核

编辑|万象硬核

«——【·前言·】——»

随着全球温室效应以及环境污染问题 日益突出，世界各国对于开发新型绿色、清 洁、可再生能源的需求迫在眉睫，其中氢能 受到了广泛关注。

在氢能经济中，燃料电池 系统是应用端的重要载体，其通过电化学反应可以不受卡诺循环的限制，将氢气的化学能中的吉布斯自由能部分直接转换成电能。

如今，与纯电动汽车相比，燃料电池电动汽车具备较短的燃料加注时间、更长的续航里程、良好的低温工作性能、零污染的尾气排放等优点， 因此是汽车发展的又一个重要方向。2018年之后是燃料电池电动汽车的高速发展期，国内外各大企业已经陆续推出了大 功率的车载燃料电池系统。

国内某电动汽车制造商仍旧使用锂离子电池作为主要动力电池，但锂电池的制造和回收都会对生态造成污染，并且电池的循环使用寿命也不高，因此找出一款循环使用寿命长，环保且耐久的燃料电池是目前的关键。

氢燃料电池因其出色的性能逐渐步入电池制造商的目光之中，氢燃料电池是否可以代替目前市场电池，做到节能环保又耐用呢？

燃料电池耐久性测试方法

目前，燃料电池汽车的动力系统主要有两种布置方案：其一是燃料电池系统作为增程式发电机，为动力电池充电，再由动力电池驱动电机提供机械动力；其二是燃料电池系统与动力电池并联，一方面可以为动力电池充电，另一方面可以与动力电池共同为驱动电机供电提供动力。

与传统的内燃机不同，由于动力电池的介入，燃料电池系统的运行工况与整车运行工况并不直接相关，反而与各主机厂采用的动力电池-燃料电池系统能量分配策略密切相关，因此目前燃料电池系统的耐久性没有形成一个统一的测试方法。

另外，在燃料电池系统中所有辅助零部件的功能均是为了辅助燃料电池电堆运行发电，因此在氢燃料电池系统耐久性试验方法时，以考查燃料电池电堆的性能衰减为主,美国能源部在定义燃料电池电堆寿命指标时要求电堆的性能衰减低于10%，该指标已被广泛采用。

由于燃料电池电动汽车整车试验存在试验周期长、试验成本高、试验不可控因素多等问题，目前燃料电池的耐久性试验仍旧以台架试验为主。

该标准中将燃料电池运行工况分为怠速、额定、加减载、启停四类特征工况，通过分别测试这四类特征工况下电堆性能的衰减率来预测电堆在不同工况组合下使用寿命。

也通过使用燃料电池电堆在特征工况下的衰减率比较出在综合工况下（含1个LA92工况循环、2个US06工况循环、2个HWFET工况循环和1个UDDS工况循环）三电堆运行模式的耐久性比单电堆运行提高了652h。

考虑车辆的实际行驶状态制定耐久循环工况，并且通过比较燃料电池电堆在运行耐久循环工况前后的极化曲线测试结果评价燃料电池电堆的性能变化。团队考虑车辆的实际使用状态，基于NEDC工况制定了耐久循环工况，并且在燃料电堆运行一定循环次数后进行一次极化曲线测试，通过对比耐久试验前后极化曲线的测试数据反映电堆性能衰减变化。

此外，根据实际运行情况设计出包括怠速运行、额定运行、大功率负载运行等动态车载循环工况，通过燃料电池电堆运行一定时间的动态负载循环工况前后的极化曲线测试结果表征电堆性能衰减。新源团队也曾通过这种耐久试验方法评价了该公司应用于客车的STK-U-03型电堆的耐久性。

采用特征工况评价燃料电池电堆耐久性的方法虽然在一定程度上符合燃料电池电堆的性能衰减机理，但是在实际运行过程中由于工况复杂多变，各类特征工况的深度耦合对其的影响有待更深层次的探究。

另外，通过燃料电池电堆在运行耐久循环工况时在特征工况点的性能变化评价燃料电池电堆的性能变化贴近实际应用场景，但是不能消除性能变化中的可逆性衰减对结果评价的影响。

通过耐久循环工况前后的极化曲线结果评估燃料电池耐久性的变化兼顾了上述两种方法的优点，因此使用范围也最为广泛，不同的团队也会根据燃料电池电堆的应用场景使用不同的耐久循环工况。

燃料电池耐久性影响因素

影响燃料电池耐久性的因素主要体现为两个方面：燃料电池系统本体老化的影响以及外部环境的影响。其中，燃料电池系统本体老化具体表现为：质子交换膜性能的衰退，主要特征体现为膜的破损和质子传导率的下降；Pt/C催化剂的老化，例如在耐久运行过程中，催化剂发生聚结、破碎、中毒；双极板材料、结构的失效。双极板在燃料电池中主要作用为气体、液体的传输及电流的收集与导出。

然而在耐久试验中，由于双极板贝被腐蚀，一方面导致材料的体电阻和接触电阻的增加，另一方面导致双极板的形变，使得电堆的外漏量（氢腔、空腔）增大；辅助系统性能的退化，主要因素为空压机系统空气进气流阻增大、空压机部件的磨损导致的排气量减小等。

外部环境的影响表现为：一、空气杂质，由于燃料电池系统的氧化剂是由空压机系统直接吸取空气，经过过滤、压缩、降温、加湿后泵入燃料电池电堆，如若空气质量差（如在化学工业园等含硫、一氧化碳等），就会造成电堆催化层的中毒（微观体现为催化剂的活性位点数量减少，电化学活性面积降低）。如下Figure1至Figure5所示，燃料电池系统经过1500h耐久测试前后性能对比图。

燃料电池耐久性优化方法

从影响燃料电池耐久性是因素来讲，燃料电池的耐久性与运行工况是强相关的。因此优化的关键就在于使得燃料电池避免处于对其产生不利影响的工况下运行。

在车辆实际运行过程中，车辆行驶工况只取决于驾驶员和路面环境，故优化燃料电池的运行工况主要从以下两点进行改进：燃料电池汽车动力系统架构布置，燃料电池汽车动力系统能量分配策略。

结果表明，在这种能量管理策略下，相较于单燃料电堆架构，三个燃料电池电堆架构不仅可以减少启停机的次数，而且可以降低每个燃料电池电堆的有效运行时间，进而显著提高整个动力系统的耐久性。

在开发燃料电池大巴车时同时采用了2个燃料电池系统、4个动力电池的布置方案，此外在能量管理策略中，始终让燃料电池系统处于较低的输出功率状态，充分利用动力电池提供车辆运行过程中所需的功率输出，只有当动力电池SOC状态过低无法支持车辆需求时才放开燃料电池的功率限值，提高燃料电池系统的输出功率，这种运行策略可以有效降低燃料电池的变载次数进而提高耐久性。

从设计思路来看，燃料电池系统作为增程器保持输出功率稳定，不直接参与车辆动力输出，也不失是一种有效的提高燃料电池耐久性的处理思路。

燃料电池系统控制策略的作用是协调各辅助零部件如空压机、氢循环泵、水泵、阀件等工作服务于燃料电池电堆，优秀的控制策略不仅可以使燃料电池电堆工作在适宜的操作条件下充分发挥出其工作性能，也对燃料电池电堆的耐久性有显著的提升。目前控制策略的优化主要集中体现在三个方面：启停机策略、加减载策略以及燃料电池电堆故障诊断。

结语

耐久性无疑是考量燃料电池工作性能的重要技术指标。目前燃料电池耐久测试的技术方法，分析了燃料电池耐久性的影响因素（燃料电池系统本体老化的影响和外部环境影响），提出了从运行工况优化、系统控制策略优化两个方面改善燃料电池系统耐久性的实施路径，为燃料电池系统耐久性能的提高提供了改进思路。

我们综合分析评述了燃料电池系统在耐久运行中可能出现影响燃料电池电性能的宏观、微观因素，从运行工况优化、系统控制策略优化两个方面提出了改善燃料电池系统耐久性的实施路径。

其中，运行工况可以从动力系统架构布置和动力系统能量分配策略这两方面进行更加细致的研究；系统控制策略可以从启停机策略、加减载策略以及燃料电池电堆故障诊断这三个方向上进行更加深入的探讨。

未来，可以重点从燃料电池电堆电性能的微观衰退机理的角度进一步着手，重点分析燃料电池催化剂、扩散层以及相界面上的电化学反应、质量传递、热量传递、动量传递的微观变化过程，从而为提高燃料电池系统的耐久性提供更多改善思路。