燃料電池發動機各項參數介紹

發布時間：

2023-02-20

簡要介紹燃料電池發電系統的評估參數，包括動力性、經濟性、動態響應特性、功率品質、環境適應性、可靠性、耐久性。

1、動力性

動力性是指燃料電池發動機為整車提供動力輸出的能力及與之密切相關的性能，主要反映了燃料電池發動機設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設計，參數匹配，燃料電池汽車整車動力性指標等都具有十分重要的指導和參考意義。

衡量燃料電池發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時間、體積比功率、質量比功率。

 

（1）、額定凈輸出功率

燃料電池發動機在制造廠規定的額定工況下能夠持續工作的凈輸出功率，即燃料電池堆輸出功率減去輔助系統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動機在最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時間

過載功率反映了燃料電池發動機在最高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設計的空間緊湊程度，與汽車總布置形式密切相關。

（4）、質量比功率

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

 

2 、經濟性

經濟性是指燃料電池發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，經濟性指標對于提高燃料電池汽車續駛里程，降低燃料電池發動機和燃料電池汽車的成本并促進其商業化具有重要意義。經濟性主要指標包括:額定功率下的發動機效率、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）、額定功率下的發動機效率

燃料電池發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。該指標為最常用的衡量經濟性的指標。

（2）、額定功率氫消耗率

燃料電池發動機在額定功率輸出狀態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駛里程密切相關。

（3）、怠速氫消耗率

燃料電池發動機在怠速狀態下單位時間的氫消耗量，單位為g/s，燃料電池汽車工況復雜多變，而怠速是汽車經常遇見的情況。盡管在混合動力系統中，燃料電池系統怠速與車輛的怠速并不同時出現，而且通過優化系統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。

（4）、有效氫利用率

有效氫利用率是燃料電池發動機在正常工作條件下，由燃料電池堆通過電化學反應轉換為水的氫氣占總共所加注氫氣的質量百分比，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濟性，而且也有助于減少排氫。

 

3 、動態響應特性

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

 

（1）、啟動時間

燃料電池發動機在室溫下(25℃)從開始啟動到進入怠速的響應時間，單位為s。

（2）、零下冷啟動時間

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

（3）、平均功率加載速率

燃料電池響應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下燃料電池發動機的動態響應水平。

（4）、0%-100%額定功率響應時間

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

 

4 、功率品質

功率品質是指燃料電池發動機在工作過程中平穩輸出電功率的性能，反映了燃料電池發動機輸出功率的品質，特別要求燃料電池發動機輸出電壓應保持一定的平穩性，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動機的開路電壓到最大電流密度下的電壓，反映了燃料電池發動機的功率品質。

（2）、額定功率下電壓波動帶寬

燃料電池發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動機平穩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動機在過載工況下相對于額定工況電壓下降的百分數，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。

 

5 、環境適應性

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

 

（1）、最低啟動溫度

燃料電池發動機能夠啟動成功的最低環境溫度，單位為℃。低溫啟動是燃料電池汽車商業化的技術瓶頸之一。降低最低啟動溫度，是提高燃料電池發動機低溫適應性的重要目標。

（2）、工作環境溫度范圍

該指標是指燃料電池發動機可以非失效工作的環境溫度范圍。環境溫度主要對燃料電池發動機散熱，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，越高往往越會導致功率下降。

（4）、存儲溫度范圍

燃料電池發動機在存儲期間可能會經歷諸如凍結/解凍循環，導致性能衰退，因此存儲溫度范圍也體現了其對環境的適應性。

 

6 、可靠性

可靠性是指燃料電池發動機在規定條件下和規定時間內完成規定功能的能力。主要反映了燃料電池發動機持續穩定正確工作的特性，燃料電池發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。

這里主要參考傳統發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首次故障時間，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。國家標準中規定要評定故障停車次數，首次故障的時間及平均故障時間。考慮到燃料電池發動機自身的特點，結合常用的可靠性評價指標，選定平均首次故障時間、平均故障間隔時間和平均修復時間三個指標。  

 

（1）、平均首次故障時間

燃料電池發動機在首次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

燃料電池發動機發生相鄰兩次故障之間所運行時間的平均值，單位為h。

（3）、平均修復時間

燃料電池發動機修復故障所用時間的平均值，單位為h。

 

7 、耐久性

質子交換膜燃料在平穩工作時壽命可以高達到100000h，但是在汽車應用中，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）、發動機壽命

燃料電池發動機壽命，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

對車用燃料電池發動機在實際運行條件的性能變化進行數據跟蹤，可以得到燃料電池發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所示：

        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