燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它是按電化學原理，即原電池工作原理，等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，因而實際過程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子，電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場作用下,通過電解質(zhì)遷移到陽極上，與燃料氣反應(yīng)，構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。

同時，由于本身的電化學反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻，燃料電池還會產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導(dǎo)電子外，也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。當燃料為碳氫化合物時，陽極要求有更高的催化活性。陰、陽兩極通常為多孔結(jié)構(gòu)，以便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物排出。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路，電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。

1、動力性

動力性是指燃料電池發(fā)動機為整車提供動力輸出的能力及與之密切相關(guān)的性能,主要反映了燃料電池發(fā)動機設(shè)計和評價人員對于其滿足整車行駛?加速?爬坡和用電要求的評價?動力性指標對于燃料電池動力系統(tǒng)設(shè)計?參數(shù)匹配?燃料電池汽車整車動力性指標等都具有十分重要的指導(dǎo)和參考意義?

衡量燃料電池發(fā)動機動力性的主要指標包括:額定凈輸出功率?過載功率及過載功率持續(xù)時間?體積比功率?質(zhì)量比功率?

（1）、額定凈輸出功率

燃料電池發(fā)動機在制造廠規(guī)定的額定工況下能夠持續(xù)工作的凈輸出功率,即燃料電池堆輸出功率減去輔助系統(tǒng)消耗功率后所剩的功率,單位為千瓦(kW)?額定凈輸出功率反映了燃料電池發(fā)動機在常用的額定工況下為整車提供功率輸出的能力?

（2）、過載功率及過載功率持續(xù)時間

過載功率反映了燃料電池發(fā)動機在車速下的后備功率輸出能力,仍然由車輛行駛的功率平衡方程可知,它決定了整車在極限工況下的動力學性能?過載功率持續(xù)時間與過載功率成對使用,單位為秒(s)?

（3）、體積比功率

燃料電池發(fā)動機單位體積能夠輸出的額定功率,單位為kW/L?體積比功率反映燃料電池系統(tǒng)設(shè)計的空間緊湊程度,與汽車總布置形式密切相關(guān)?

（4）、質(zhì)量比功率

燃料電池發(fā)動機單位質(zhì)量能夠輸出的額定功率,單位為kW/kg或W/kg?質(zhì)量比功率也稱為功率密度,反映燃料電池系統(tǒng)輕量化設(shè)計水平,對汽車輕量化設(shè)計具有重要意義?體積比功率和質(zhì)量比功率是燃料電池發(fā)動機的重要性能指標,能夠反映其系統(tǒng)集成度?

經(jīng)濟性是指燃料電池發(fā)動機在滿足其他方面要求的前提下,盡可能少地消耗能源和成本的性能?經(jīng)濟性指標對于提高燃料電池汽車續(xù)駛里程?降低燃料電池發(fā)動機和燃料電池汽車的成本并促進其商業(yè)化具有重要意義?經(jīng)濟性主要指標包括:額定功率下的發(fā)動機效率?額定功率氫消耗率?怠速氫消耗率?有效氫利用率及單位功率成本等?

（1）、額定功率下的發(fā)動機效率

燃料電池發(fā)動機在額定功率輸出時,凈輸出功率與進入燃料電池堆的燃料熱值(低熱值)之比?該指標為常用的衡量經(jīng)濟性的指標?

（2）、額定功率氫消耗率

燃料電池發(fā)動機在額定功率輸出狀態(tài)下單位時間的氫消耗量,單位為g/s?額定功率氫消耗率與燃料電池汽車的續(xù)駛里程密切相關(guān)?

（3）、怠速氫消耗率

燃料電池發(fā)動機在怠速狀態(tài)下單位時間的氫消耗量,單位為g/s?燃料電池汽車工況復(fù)雜多變,而怠速是汽車經(jīng)常遇見的情況?盡管在混合動力系統(tǒng)中,燃料電池系統(tǒng)怠速與車輛的怠速并不同時出現(xiàn),而且通過優(yōu)化系統(tǒng)配置和控制策略可以大幅減少怠速時間,但是怠速工況仍然會出現(xiàn)?

（4）、有效氫利用率

有效氫利用率是燃料電池發(fā)動機在正常工作條件下,由燃料電池堆通過電化學反應(yīng)轉(zhuǎn)換為水的氫氣占總共所加注氫氣的質(zhì)量百分比?有效氫利用率通常小于100%,主要是由于陽極排放造成的?提高有效氫利用率,不但有利于提高燃料經(jīng)濟性,而且也有助于減少排氫?

動態(tài)響應(yīng)特性是指燃料電池發(fā)動機在非穩(wěn)態(tài)工況下的快速響應(yīng)能力?燃料電池汽車工況復(fù)雜多變,功率需求變化較大,要求燃料電池發(fā)動機有好的動態(tài)響應(yīng)特性以及時滿足整車動力需求?動態(tài)響應(yīng)特性的指標包括:啟動時間?零下冷啟動時間?平均功率加載速率及0%-100%額定功率響應(yīng)時間等?

（1）、啟動時間

燃料電池發(fā)動機在室溫下(25℃)從開始啟動到進入怠速的響應(yīng)時間,單位為s?

（2）、零下冷啟動時間

燃料電池發(fā)動機在低于0℃溫度下從開始啟動到進入怠速的響應(yīng)時間,單位為s?在同樣的低溫下,該時間越短,燃料電池發(fā)動機的動態(tài)性越好?

（3）、平均功率加載速率

燃料電池響應(yīng)整車控制器功率需求,給出的可以進行變加載的速率,單位為kW/s。功率加載速率反映了運行狀態(tài)下燃料電池發(fā)動機的動態(tài)響應(yīng)水平?

（4）、0%-100%額定功率響應(yīng)時間

燃料電池發(fā)動機從怠速狀態(tài)(0%額定功率)到額定輸出(100%額定功率)的響應(yīng)時間,單位為s?

功率品質(zhì)是指燃料電池發(fā)動機在工作過程中平穩(wěn)輸出電功率的性能,反映了燃料電池發(fā)動機輸出功率的品質(zhì)?特別要求燃料電池發(fā)動機輸出電壓應(yīng)保持一定的平穩(wěn)性,以利于直流變換器及其他高壓電器工作?其主要指標包括:電壓范圍?額定功率下電壓波動帶寬?過載工況下電壓下降百分比等?

（1）、電壓范圍

燃料電池發(fā)動機在全工況下的電壓范圍,單位為Ⅴ?全工況電壓范圍包括了從燃料電池發(fā)動機的開路電壓到電流密度下的電壓,反映了燃料電池發(fā)動機的功率品質(zhì)?

（2）、額定功率下電壓波動帶寬

燃料電池發(fā)動機在額定功率輸出時電壓波動的帶寬(幅度),單位為Ⅴ?該指標反映了燃料電池發(fā)動機平穩(wěn)輸出額定功率的能力?

（3）、過載工況下電壓下降百分比

該指標是指燃料電池發(fā)動機在過載工況下相對于額定工況電壓下降的百分數(shù)?若在過載工況下電壓下降過多,會造成輸出功率下降,無法滿足過載功率的輸出要求?

環(huán)境適應(yīng)性是指燃料電池發(fā)動機適應(yīng)周圍環(huán)境的能力,主要反映了對于燃料電池發(fā)動機在不同環(huán)境條件下均能按預(yù)期要求?可靠工作的特性?在設(shè)計燃料電池發(fā)動機時,必須考慮滿足環(huán)境適應(yīng)性指標,以保證燃料電池汽車能夠在各種環(huán)境下正常行駛?常見的適應(yīng)性指標包括:低啟動溫度?工作環(huán)境溫度范圍?工作海拔范圍?存儲溫度范圍等?

（1）、低啟動溫度

燃料電池發(fā)動機能夠啟動成功的低環(huán)境溫度,單位為℃?低溫啟動是燃料電池汽車商業(yè)化的技術(shù)瓶頸之一?降低低啟動溫度,是提高燃料電池發(fā)動機低溫適應(yīng)性的重要目標?

（2）、工作環(huán)境溫度范圍

該指標是指燃料電池發(fā)動機可以非失效工作的環(huán)境溫度范圍?環(huán)境溫度主要對燃料電池發(fā)動機散熱?進氣溫度等有很大影響?

（3）、工作海拔范圍

該指標是指燃料電池發(fā)動機可以正常工作的海拔范圍?海拔影響進氣壓力,越高往往越會導(dǎo)致功率下降?

（4）、存儲溫度范圍

燃料電池發(fā)動機在存儲期間可能會經(jīng)歷諸如凍結(jié)/解凍循環(huán),導(dǎo)致性能衰退,因此存儲溫度范圍也體現(xiàn)了其對環(huán)境的適應(yīng)性?

可靠性是指燃料電池發(fā)動機在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力,主要反映了燃料電池發(fā)動機持續(xù)穩(wěn)定?正確工作的特性?燃料電池發(fā)動機的可靠性在很大程度上決定了燃料電池汽車整車的可靠性?這里主要參考傳統(tǒng)發(fā)動機的可靠性評價指標?機械標準中給出的評定指標是平均故障時間?平均故障間隔時間?當量故障率及由此得到的綜合評定分數(shù)?國家標準中規(guī)定要評定故障停車次數(shù)?故障的時間及平均故障時間?考慮到燃料電池發(fā)動機自身的特點,結(jié)合常用的可靠性評價指標,選定平均故障時間?平均故障間隔時間和平均修復(fù)時間三個指標?

（1）、平均故障時間

燃料電池發(fā)動機在故障前所運行的時間的平均值,單位為h?

（2）、平均故障間隔時間

燃料電池發(fā)動機發(fā)生相鄰兩次故障之間所運行時間的平均值,單位為h?

（3）、平均修復(fù)時間

燃料電池發(fā)動機修復(fù)故障所用時間的平均值,單位為h?

質(zhì)子交換膜燃料在平穩(wěn)工作時壽命可以高達到100000h,但是在汽車應(yīng)用中,往往無法達到上述期望值?燃料電池汽車耐久性主要受燃料電池性能衰退和壽命極限影響?

（1）、發(fā)動機壽命

燃料電池發(fā)動機壽命,以額定功率輸出衰減到原來的90%的工作時間來評價,單位為h?

（2）、電壓衰退率

對車用燃料電池發(fā)動機在實際運行條件的性能變化進行數(shù)據(jù)跟蹤,可以得到燃料電池發(fā)動機實際運行中輸出電壓的緩慢變化,即同樣電流(電流密度)及工作條件下,輸出的功率降低了?以小時為間隔的電壓衰退率單位為μV/h?不同時間段極化特性曲線變化及不同電流下輸出功率變化如圖3-65所示?

安全性是指燃料電池發(fā)動機能夠安全工作,避免對人?設(shè)備或自身造成傷害的能力?由于涉及可燃氣體氫氣和各種電氣設(shè)備,要求燃料電池發(fā)動機能夠在不發(fā)生事故的前提下正常工作,而不對人或財產(chǎn)造成損失?

(1)、供氫系統(tǒng)的安全要求及規(guī)范

1)、氫氣系統(tǒng)應(yīng)嚴防泄漏,所用的儀表及閥門等零部件密封應(yīng)確保良好,確保定期檢查,對設(shè)備發(fā)生氫氣泄漏的部位應(yīng)及時處理?

2)、對氫氣系統(tǒng)中的管道和閥門等連接點進行漏氣檢查時,應(yīng)使用中性肥皂水或攜帶式可燃氣體檢測報警儀,禁止使用明火進行漏氣檢查?攜帶式可燃氣體檢測報警儀應(yīng)定期校驗?

3)、氫氣管道應(yīng)采用無縫金屬管道,禁止采用鑄鐵管道,管道的連接應(yīng)采用焊接或其他可有效防止氫氣泄漏的連接方式?管道應(yīng)采用密封性能好的閥門和附件,管道上的閥門宜采用球閥?截止閥?閥門材料的選擇應(yīng)符合GB50177-2005中表12.0.3的規(guī)定,管道上法蘭?墊片的選擇應(yīng)符合GB50177-2005中表12.0.4的規(guī)定?管道之間不宜采用螺紋密封連接,氫氣管道與附件連接的密封墊,應(yīng)采用不銹鋼?有色金屬?聚四氟乙烯或氟橡膠材料,禁止用生料帶或其他絕緣材料作為連接密封手段?

(2)、尾排氫氣要求

燃料電池發(fā)動機的尾排氫氣一般與空氣尾排混合稀釋后由尾排管排出,排放氫氣濃度要求低于爆炸極限,一般要求小于2%?

(3)、消防和緊急情況處理措施

1)、氫氣發(fā)生大量泄漏或積聚時,應(yīng)采取以下措施:

①、應(yīng)及時切斷氣源,并迅速撤離泄漏污染區(qū)人員至上風區(qū)?

②、對泄漏污染區(qū)進行通風,對已泄漏的氫氣進行稀釋,若不能及時切斷時,應(yīng)采用蒸汽進行稀釋,防止氫氣積聚形成爆炸性氣體混合物?

③、若泄漏發(fā)生在室內(nèi),宜使用吸風系統(tǒng)或?qū)⑿孤┑臍馄恳浦潦彝?以避免泄漏的氫氣四處擴散?

2)、氫氣發(fā)生泄漏并著火時應(yīng)采取以下措施:

①、應(yīng)及時切斷氣源.此外氫氣系統(tǒng)應(yīng)保持正壓狀態(tài),防止氫氣系統(tǒng)發(fā)生回火?

②、采取措施,防止火災(zāi)擴大,如采用大量消防水霧噴射其他易燃物質(zhì)和相鄰設(shè)備;如有可能,可將燃燒設(shè)備從火場移至空曠處?

③、氫火焰肉眼不易察覺,消防人員應(yīng)佩戴自給式呼吸器,穿防靜電服進入現(xiàn)場,注意防止外露皮膚燒傷?

燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)高壓電安全非常重要,除了系統(tǒng)設(shè)計安裝時對電氣間隙和爬電距離設(shè)置安全距離外,還涉及燃料電池堆內(nèi)部冷卻液的導(dǎo)電性(電導(dǎo)率),燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)在運行過程中會析出離子增加冷卻液的導(dǎo)電性,降低整個系統(tǒng)的安全性?因此需要實時監(jiān)控燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的絕緣性?當前國家標準對燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的絕緣要求為≥100Ω/V(GB/T25319-2010)。

根國家標準對燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)絕緣電阻值的安全要求,在設(shè)計時可以在絕緣電阻檢測系統(tǒng)中設(shè)置兩級報警(400V平臺為例):一級報警為絕緣電阻≤100k,二級報警為絕緣電阻≤50k?當發(fā)生一級報警時,上報故障;當發(fā)生二級報警時,強行切斷高壓電并上報故障?

電氣間隙：兩個導(dǎo)電部分之間的最短直線距離(IEC60050-441:1984,441-17-31)

爬電距離：兩個導(dǎo)電部分之間沿固體絕緣材料表面的最短距離(GB/T2900.83-2008,151-15-50)?

絕緣電阻:絕緣物在規(guī)定條件下的直流電阻:加直流電壓于電介質(zhì),經(jīng)過一定時間極化過程結(jié)束后?流過電介質(zhì)的泄漏電流對應(yīng)的電阻稱絕緣電阻,是電氣設(shè)備和電氣線路最基本的絕緣指標。

噪聲是指發(fā)聲體做無規(guī)則振動時發(fā)出的聲音,影響他人的聲音都是噪聲?雖然燃料電池發(fā)動機產(chǎn)生的噪聲同傳統(tǒng)內(nèi)燃機噪聲相比有了很大改善,但是燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲也不容忽視?燃料電池發(fā)動機的主要噪聲來源于空氣子系統(tǒng)和氫氣子系統(tǒng),此外還有其他固定部件振動產(chǎn)生的噪聲,

（1）、振動與噪聲

燃料電池系統(tǒng)中空氣子系統(tǒng)中的空壓機和氫氣子系統(tǒng)中的電控噴氫閥?氫氣循環(huán)泵是噪聲的主要來源?

1)、空壓機的主要噪聲來源有:

①、空壓機壓縮空氣過程中產(chǎn)生的空氣動力噪聲?

②、高流速空氣進氣口以及排氣口的渦流噪聲?

③、空氣壓縮機的振動產(chǎn)生的噪聲?

針對空氣子系統(tǒng)的噪聲來源,處理措施包括:優(yōu)化主噪聲源的零部件的懸掛位置及結(jié)構(gòu)(如空壓機);調(diào)整進氣系統(tǒng)和其他產(chǎn)生噪聲零部件的位置,優(yōu)化空氣管路結(jié)構(gòu),減少氣體渦流的形成;在進排氣口加裝消聲器?在噪聲源外加隔聲材料等?

2)、氫氣子系統(tǒng)的主要噪聲源為氫氣循環(huán)泵或者電控噴氫閥引起的噪聲?其中氫氣環(huán)泵的噪聲主要是由于泵和支架之間的振動引起的低頻噪聲,可以通過修改氫泵橡膠彈性支架剛度特性,控制氫泵振動向車身板件的傳遞,達到降低噪聲的目的?電控噴氫閥的主要噪聲為管道內(nèi)高壓氫氣的流噪聲以及噴射器本體電磁閥開關(guān)閉合的聲音?這兩種聲音都是通過空氣路徑和結(jié)構(gòu)路徑傳播的,因此可以在噴射前后加裝消聲裝置,將噴射裝置與燃料電池發(fā)動機通過橡膠懸掛連接等方式達到降低噪聲的效果?

（2）、電磁噪聲

電磁噪聲主要是由燃料電池系統(tǒng)中相關(guān)零部件上電機氣隙內(nèi)的永磁磁場和電樞反應(yīng)磁場相互作用,而產(chǎn)生徑向電磁力,由于徑向電磁力隨時間?空間發(fā)生變化,使電機殼體?定子鐵心等隨時間產(chǎn)生周期性變化的振動和噪聲?燃料電池系統(tǒng)中的電磁噪聲主要包括空壓機?冷卻水泵產(chǎn)生的低頻噪聲?處理措施:可以通過加強機械結(jié)構(gòu)的低頻隔聲量降低電磁噪聲;采用共振吸收結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電磁噪聲的吸收?

文章轉(zhuǎn)自：《電車測試》

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