基于国标GB/T 24554浅谈燃料电池发动机的性能评价方法

由国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会在2022年12月30日共同发布了标准《GB/T 24554-2022燃料电池发动机性能试验方法》，该标准于2023年7月1日正式实施，代替原有的GB/T 24554-2009，是燃料电池发动机的强检引用标准。涵盖了燃料电池发动机的动力性能、经济性、环境适应性、可靠性、耐久性、噪声及排放等方面，为燃料电池汽车的设计、制造和评价提供了详细的技术规定。

图1 燃料电池发动机性能试验方法框架图

燃料电池发动机（Fuel Cell Engine）是一种将化学能直接转换为电能的装置，通过氢气和氧气的化学反应产生电能和水，无需燃烧过程，从而实现高效、清洁的能源转换。它是燃料电池系统的核心部分，用于将氢气作为燃料与氧气（通常来自空气）在电化学反应中产生电能。这种电能可以直接驱动电动汽车的电动机，也可以用于其他需要电能的应用领域。

图2 某燃料电池发动机（图片来自亿华通）

研究分析燃料电池发动机的性能评价是推动技术发展、指导系统设计、支持标准制定、提高市场竞争力等多方面的必要手段，有助于推动燃料电池技术的进一步成熟和应用。

图3 燃料电池发动机性能研究必要性

评价燃料电池发动机的性能是为了衡量其在实际应用中的表现和效果，以确保燃料电池发动机在各种条件下都能达到预期的性能水平。本文基于《GB/T 24554-2022燃料电池发动机性能试验方法》研究分析燃料电池发动机的性能评价方法，将从两种方法多个维度进行评价。

1.燃料电池发动机性能评价维度一  基于用户层面

用户是产品成功与否的决定因素之一，通过深入了解用户的需求、偏好和体验，满足用户在实际使用中对燃料电池发动机的期望，以提供良好的驾驶体验和性能表现。基于用户层面分析燃料电池发动机性能的必要性在于确保产品能够满足用户期望，提升市场竞争力，引导技术改进方向，制定有效的市场推广策略，降低投资风险，实现可持续发展。通过深入了解用户需求和反馈，可以有效地将燃料电池发动机技术应用于实际，并促使其在市场上取得成功。

图4 燃料电池发动机性能评价维度一

1.1效率和能量转换率：评估燃料电池发动机将氢气和氧气转化为电能的效率，以及在不同负载下的能量转换率。高效的燃料电池发动机能够最大限度地将化学能转化为电能，提高能源利用效率。

1.2功率输出和响应速度：考察燃料电池发动机在不同负载要求下的功率输出能力，以及其响应速度和动态性能。对于用于交通工具等需要快速加速和减速的应用，响应速度尤为重要。

1.3稳定性和耐久性：评价燃料电池发动机在长时间运行中的稳定性和耐久性。长期稳定运行对于实际应用至关重要，需要考虑材料耐久性、电解质降解等因素。

1.4热管理：考量燃料电池发动机在工作过程中产生的热量管理，以及如何维持适当的工作温度范围。过高或过低的工作温度都可能影响性能和寿命。

1.5氢气供应和存储：对于燃料电池发动机来说，氢气供应和存储是关键因素。评价其在不同供氢条件下的性能，以及与氢气存储系统的配合情况。

1.6环境影响：考察燃料电池发动机在运行过程中的环境影响，包括排放物（通常只有水蒸气）、噪音水平等。

1.7经济性：评估燃料电池发动机的制造成本、维护成本以及与传统动力系统相比的经济性。成本因素是决定其商业可行性的重要因素之一。

1.8整体集成和控制：燃料电池发动机通常作为系统的一部分存在，评价其与其他组件（如电池、电动机）的整体集成情况以及控制策略的有效性。

1.9安全性：对于涉及氢气的燃料电池发动机，安全性是一个重要考虑因素。评估其在事故情况下的安全性能和应对措施。

1.10维护和维修便捷性：考察燃料电池发动机的维护和维修难度，以及需要的专业技术和设备。

综合以上10点，可以制定一套全面的性能评价方法和标准，以便对不同型号和应用场景的燃料电池发动机进行客观、准确的评价。这有助于指导技术改进、市场推广以及未来的研发方向。

2.燃料电池发动机性能评价维度二  基于研发测试

基于研发测试的燃料电池发动机性能评价是确保燃料电池发动机在设计、开发和测试阶段达到预期性能的关键过程。

图5 燃料电池发动机性能评价维度二

2.1 动力性

动力性是指燃料电池发动机在为整车提供动力输出时的能力，以及与此紧密相关的性能特征。其主要反映了燃料电池发动机在满足整车行驶、加速、爬坡以及电力需求方面的评价。动力性评价指标对于燃料电池动力系统的设计、参数匹配以及燃料电池汽车整体动力性能的指导和参考意义不可忽视。

图6 动力性评价指标

2.2 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｡

图7 经济性评价指标

2.3 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｡

图8 动态响应特性评价指标

2.4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｡

图9 品质功率评价指标

2.5 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｡

图10 环境适应性评价指标

2.6 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｡

图9 可靠性评价指标

2.7 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｡

图9 耐久性评价指标

2.8 安全性

安全性是指燃料电池发动机能够安全工作,避免对人､设备或自身造成伤害的能力｡由于涉及可燃气体氢气和各种电气设备,要求燃料电池发动机能够在不发生事故的前提下正常工作,而不对人或财产造成损失｡

图10 安全性评价指标

2.9 噪声及排放

燃料电池发动机产生的噪声同传统内燃机噪声相比有了很大改善,但是燃料电池系统产生的噪声也不容忽视｡燃料电池发动机的主要噪声来源于空气子系统和氢气子系统,此外还有其他固定部件振动产生的噪声。

图11 噪声及排放评价指标

基于研发测试的燃料电池发动机性能评价可以帮助开发团队优化设计，确保发动机在实际应用中达到高性能、高可靠性和高安全性的要求。

燃料电池发动机性能评价方法涵盖多个关键维度，通过不同维度评价燃料电池发动机性能以确保燃料电池发动机在设计、开发和测试阶段能够达到预期性能，为实际应用提供高性能、高可靠性和高安全性的驱动能源。

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