【专家视角】氢燃料电池汽车测试评价技术探讨

2020年12月23日，中国汽研成功举办《2020第三届新能源汽车测试评价技术国际论坛》。中国汽研将连续为大家推送精彩演讲实录，本文为中国汽研新能源汽车中心副主任邓波带来的《氢燃料电池汽车测试评价技术探讨》。


01、氢气特性与安全应用

氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介，是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择。国际氢能委员会（Hydrogen Council）预计，到2050年，氢能将在全球能源中所占比重有望达到18%，同时氢能的应用将减少60亿吨二氧化碳排放，有效推动能源结构向清洁低碳化的转型。但是氢气的燃烧范围广、点火能量低等物理特性为氢能的应用带来了安全风险。

2019年以来发生多起氢安全事故，事故发生在储存、运输、加注等环节，对氢安全问题进行分析后发现主要是密封设计标准不完善、设备操作规范不健全等方面的原因导致了事故的发生，因此，如何保证用氢安全对氢能的大规模市场化推广至关重要。针对涉氢安全问题，总结出4点建议：防（部件防爆选型；产品、机组及试验设备等正确接地；涉氢环境入口处设置静电释放设备；制定试验安全规范）、测（对涉氢试验环境，综合浓度检测方式和探测器测点布置，对室内氢气易泄漏和易聚集区域进行检测，并配备相应声光报警器）、排（设计不同级别氢气浓度报警功能，同时搭配相应强排风装置，在氢气浓度检测报警系统不同报警等级下采取相应措施）、灭（配置火灾自动报警系统联动控制的灭火系统；发生火灾时，立即切断电源，组织人员往外撤离，定期检查操作现场的应急装备）。燃料电池汽车（FCEV）是氢能应用的示范窗口与重要载体，所以FCEV的安全测评尤为重要。

02、FCEV整车测试评价

燃料电池汽车作为国家能源战略的“三纵三横”之一，与混合动力汽车、纯电动汽车存在结构差异，体现在储能系统、驱动系统、补能方式及电气系统等方面，因此FCEV需要制定特定的测试方法。FCEV的测试内容依然围绕动力性、经济性、安全性、环境适应性、行驶特性来进行，只是测试方法和评价标准与传统燃油车和纯电动车等有所区别，以下将举例说明。

经济性测试方面，FCEV除了要测试整车纯电模式下的电耗以外，还要对燃料电池启动情况下的氢耗进行测试，而氢耗测试的方法各不相同，有压力温度法、质量分析法、质量流量法，目前国内常用的方法是质量流量法，同时对氢耗的测试还要考虑行车工况和环境的影响。氢气消耗量分为理论消耗量和实际消耗量，两者的比值反映了电堆的燃料反应效率，燃料反应效率越高，说明燃料电池的氢气尾气排放量越少，才能保障氢气的安全排放。氢气排放量测试，氢气排放标准要求3秒内的氢气尾排浓度平均值不能超过4%，瞬时最高值不能超过8%，另外，氢气排放量测试需要考虑做气水分离，这样可以保障氢气排放测试精度。氢气排放既反映了燃料电池汽车的经济性，也关系到整车安全性。

安全性测试方面，燃料电池汽车车载氢系统的安全是大家关注的重点，以前大家都关注车载氢系统的结构强度安全，也就是耐高压测试，实际上在真正使用过程中，电堆的返潮会腐蚀车载氢系统从而导致漏气，所以在车载氢系统的测试中，还需考虑车辆使用过程中的结构可靠性。除了腐蚀性外，车载氢系统的碰撞安全值得重视，我国燃料电池汽车的推广主要以客车、重卡等商用车为主，历年来，重型车导致的交通事故虽然少，但是产生的损失占比却最高，通过侧翻试验，检测车载氢系统的结构安全性，为车辆碰撞安全设计提供参考。

在低温条件下，燃料电池电堆内部残留水凝结会阻碍气液传输，同时膜电极冻结也会破坏电池内部微观结构，既影响寿命又影响性能。在关注零部件冷启动的同时，也应关注在整车冷起动的过程中，起动时间、能耗及怠速氢排等重要指标。

燃料电池的行驶特性包括噪声、制动性能、平顺性、操作稳定性及可靠性。以噪声测试为例，人们普遍认为燃料电池汽车是低噪声的，但实际运行中，由于空压机的使用，会造成90分贝以上的噪音，所以FCEV的NVH测试也至关重要。

综上，燃料电池整车测评体系需要考虑低温、高湿、极端气候等，燃料电池汽车碰撞安全及设计需要涉及多向碰撞及响应、力学仿真与分析、泄压及安全等。

03、国氢中心核心能力

2019年7月，国家市场监督管理总局批复中国汽研筹建国内首个“国家氢能动力质量监督检验中心”。国检中心拟在重庆市两江新区鱼复工业开发区投资建设，总投资5亿元，占地190亩，规划建设氢能辅件试验室、燃料电池试验室、氢能整车试验室、动力总成试验室、电机电池试验室等。旨在通过质检来防护氢能应用过程中的安全风险，做到“质检保安全，安全促发展”。

针对燃料电池汽车测试的独特性，中国汽研结合多年整车检验检测的经验，布局了燃料电池汽车的实验室能力。建立覆盖氢能全产业链的检测服务平台（包含氢气到整车的各个环节），对氢能产品进行检测认证，加强氢能产业的质量管理、保障产业发展安全、提高氢能产业市场效率。

典型实验案例简介：乘用车动力性、经济性试验：依托国家重点专项课题，编写燃料电池乘用车动力性和经济性测评规程，已完成某车企增程式燃料电池乘用车的动力性和经济性测试；乘用车低温冷启动性能试验：完成燃料电池乘用车低温冷启动测评规程编制，分发动机低温启动试验和车辆起步试验，完成某车企增程式燃料电池乘用车-30℃冷启动试验，系国内首次成功启动案例；燃料电池大巴百公里氢气消耗量性能试验：中国汽研带环境舱的重型转鼓系国内唯一涉氢重型转鼓，已完成燃料电池大巴在中国典型城市工况、郊区工况和综合工况下的百公里氢气消耗量的测定。

设备开发进展及合作方向：通过国家项目及校企合作，已完成燃料电池发动机、燃料电池电堆、燃料电池用空压机、燃料电池用氢气循环泵等测试装备定制化开发，后续将以此为依托，向燃料电池生产过程质量控制设备延伸拓展。

技术研究建立测试评价体系：中国汽研作为课题牵头单位先后承担了5.8及1.6国家氢能重大专项，通过国家课题联合共研等方式，进行燃料电池整车及关键零部件测试评价技术的研究和评价体系的建设，推动氢能产业的健康发展。

质检作为产、学、研、检、用五个环节中的重要一环，起着承上启下的作用。中国汽研从以下几个方面支持燃料电池汽车产业发展：支持产业发展：通过建立氢能动力全流程的测试能力体系，实现氢能产品全产业链检测；完善标准体系：承接应用端，结合测试验证，推动氢能标准体系从产业前端往产业后端延伸；维护市场秩序：公正质检，聚焦安全，严把质量关，扶优限劣，规范产业发展秩序。