燃料电池发动机各项参数介绍

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燃料电池发动机各项参数介绍

发布时间：

2023-02-20

简要介绍燃料电池发电系统的评估参数，包括动力性、经济性、动态响应特性、功率品质、环境适应性、可靠性、耐久性。

1、动力性

动力性是指燃料电池发动机为整车提供动力输出的能力及与之密切相关的性能，主要反映了燃料电池发动机设计和评价人员对于其满足整车行驶、加速、爬坡和用电要求的评价，动力性指标对于燃料电池动力系统设计，参数匹配，燃料电池汽车整车动力性指标等都具有十分重要的指导和参考意义。

衡量燃料电池发动机动力性的主要指标包括:额定净输出功率、过载功率及过载功率持续时间、体积比功率、质量比功率。

（1）、额定净输出功率

燃料电池发动机在制造厂规定的额定工况下能够持续工作的净输出功率，即燃料电池堆输出功率减去辅助系统消耗功率后所剩的功率，单位为千瓦(kW) 额定净输出功率反映了燃料电池发动机在最常用的额定工况下为整车提供功率输出的能力。

（2）、过载功率及过载功率持续时间

过载功率反映了燃料电池发动机在最高车速下的后备功率输出能力，仍然由车辆行驶的功率平衡方程可知，它决定了整车在极限工况下的动力学性能，过载功率持续时间与过载功率成对使用，单位为秒(s)。

（3）、体积比功率

燃料电池发动机单位体积能够输出的额定功率，单位为kW/L 体积比功率反映燃料电池系统设计的空间紧凑程度，与汽车总布置形式密切相关。

（4）、质量比功率

燃料电池发动机单位质量能够输出的额定功率，单位为kW/kg或W/kg，质量比功率也称为功率密度，反映燃料电池系统轻量化设计水平，对汽车轻量化设计具有重要意义，体积比功率和质量比功率是燃料电池发动机的重要性能指标，能够反映其系统集成度。

2 、经济性

经济性是指燃料电池发动机在满足其他方面要求的前提下，尽可能少地消耗能源和成本的性能，经济性指标对于提高燃料电池汽车续驶里程，降低燃料电池发动机和燃料电池汽车的成本并促进其商业化具有重要意义。经济性主要指标包括:额定功率下的发动机效率、额定功率氢消耗率、怠速氢消耗率、有效氢利用率及单位功率成本等。

（1）、额定功率下的发动机效率

燃料电池发动机在额定功率输出时，净输出功率与进入燃料电池堆的燃料热值(低热值)之比。该指标为最常用的衡量经济性的指标。

（2）、额定功率氢消耗率

燃料电池发动机在额定功率输出状态下单位时间的氢消耗量，单位为g/s ，额定功率氢消耗率与燃料电池汽车的续驶里程密切相关。

（3）、怠速氢消耗率

燃料电池发动机在怠速状态下单位时间的氢消耗量，单位为g/s，燃料电池汽车工况复杂多变，而怠速是汽车经常遇见的情况。尽管在混合动力系统中，燃料电池系统怠速与车辆的怠速并不同时出现，而且通过优化系统配置和控制策略可以大幅减少怠速时间，但是怠速工况仍然会出现。

（4）、有效氢利用率

有效氢利用率是燃料电池发动机在正常工作条件下，由燃料电池堆通过电化学反应转换为水的氢气占总共所加注氢气的质量百分比，有效氢利用率通常小于100%，主要是由于阳极排放造成的。提高有效氢利用率，不但有利于提高燃料经济性，而且也有助于减少排氢。

3 、动态响应特性

动态响应特性是指燃料电池发动机在非稳态工况下的快速响应能力，燃料电池汽车工况复杂多变，功率需求变化较大，要求燃料电池发动机有好的动态响应特性以及时满足整车动力需求动态响应特性的指标包括:启动时间、零下冷启动时间、平均功率加载速率及0%-100%额定功率响应时间等。

（1）、启动时间

燃料电池发动机在室温下(25℃)从开始启动到进入怠速的响应时间，单位为s。

（2）、零下冷启动时间

燃料电池发动机在低于0℃温度下从开始启动到进入怠速的响应时间，单位为s。在同样的低温下，该时间越短，燃料电池发动机的动态性越好。

（3）、平均功率加载速率

燃料电池响应整车控制器功率需求，给出的可以进行变加载的速率，单位为kW/s。功率加载速率反映了运行状态下燃料电池发动机的动态响应水平。

（4）、0%-100%额定功率响应时间

燃料电池发动机从怠速状态(0%额定功率)到额定输出(100%额定功率)的响应时间，单位为s。

4 、功率品质

功率品质是指燃料电池发动机在工作过程中平稳输出电功率的性能，反映了燃料电池发动机输出功率的品质，特别要求燃料电池发动机输出电压应保持一定的平稳性，以利于直流变换器及其他高压电器工作，其主要指标包括:电压范围、额定功率下电压波动带宽、过载工况下电压下降百分比等。

（1）、电压范围

燃料电池发动机在全工况下的电压范围，单位为Ⅴ。全工况电压范围包括了从燃料电池发动机的开路电压到最大电流密度下的电压，反映了燃料电池发动机的功率品质。

（2）、额定功率下电压波动带宽

燃料电池发动机在额定功率输出时电压波动的带宽(幅度)，单位为Ⅴ。该指标反映了燃料电池发动机平稳输出额定功率的能力。

（3）、过载工况下电压下降百分比

该指标是指燃料电池发动机在过载工况下相对于额定工况电压下降的百分数，若在过载工况下电压下降过多，会造成输出功率下降，无法满足过载功率的输出要求。

5 、环境适应性

环境适应性是指燃料电池发动机适应周围环境的能力，主要反映了对于燃料电池发动机在不同环境条件下均能按预期要求，可靠工作的特性。在设计燃料电池发动机时，必须考虑满足环境适应性指标，以保证燃料电池汽车能够在各种环境下正常行驶。常见的适应性指标包括:最低启动温度、工作环境温度范围、工作海拔范围、存储温度范围等。

（1）、最低启动温度

燃料电池发动机能够启动成功的最低环境温度，单位为℃。低温启动是燃料电池汽车商业化的技术瓶颈之一。降低最低启动温度，是提高燃料电池发动机低温适应性的重要目标。

（2）、工作环境温度范围

该指标是指燃料电池发动机可以非失效工作的环境温度范围。环境温度主要对燃料电池发动机散热，进气温度等有很大影响。

（3）、工作海拔范围

该指标是指燃料电池发动机可以正常工作的海拔范围。海拔影响进气压力，越高往往越会导致功率下降。

（4）、存储温度范围

燃料电池发动机在存储期间可能会经历诸如冻结/解冻循环，导致性能衰退，因此存储温度范围也体现了其对环境的适应性。

6 、可靠性

可靠性是指燃料电池发动机在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。主要反映了燃料电池发动机持续稳定正确工作的特性，燃料电池发动机的可靠性在很大程度上决定了燃料电池汽车整车的可靠性。

这里主要参考传统发动机的可靠性评价指标，机械标准中给出的评定指标是平均首次故障时间，平均故障间隔时间，当量故障率及由此得到的综合评定分数。国家标准中规定要评定故障停车次数，首次故障的时间及平均故障时间。考虑到燃料电池发动机自身的特点，结合常用的可靠性评价指标，选定平均首次故障时间、平均故障间隔时间和平均修复时间三个指标。

（1）、平均首次故障时间

燃料电池发动机在首次故障前所运行的时间的平均值，单位为h。

（2）、平均故障间隔时间

燃料电池发动机发生相邻两次故障之间所运行时间的平均值，单位为h。

（3）、平均修复时间

燃料电池发动机修复故障所用时间的平均值，单位为h。

7 、耐久性

质子交换膜燃料在平稳工作时寿命可以高达到100000h，但是在汽车应用中，往往无法达到上述期望值，燃料电池汽车耐久性主要受燃料电池性能衰退和寿命极限影响。

（1）、发动机寿命

燃料电池发动机寿命，以额定功率输出衰减到原来的90%的工作时间来评价，单位为h。

（2）、电压衰退率

对车用燃料电池发动机在实际运行条件的性能变化进行数据跟踪，可以得到燃料电池发动机实际运行中输出电压的缓慢变化，即同样电流(电流密度)及工作条件下，输出的功率降低了以小时为间隔的电压衰退率单位为μV/h 不同时间段极化特性曲线变化及不同电流下输出功率变化如图所示：

不同时间段极化特性曲线变化及不同电流下输出功率变化