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国内燃料电池堆及系统产品参数的真实意义

发布日期: 2020-03-09
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(1)功率密度

功率密度分体积功率密度、质量功率密度和面积比功率等,前两者对于燃料电池堆和系统皆适用,单位一般为kW/L、kW/kg,面积比功率一般应用于燃料电池膜电极。功率密度针对燃料电池堆使用场合较多,定义为燃料电池堆的峰值功率除以燃料电池堆的体积(或质量)。

由于燃料电池堆体积(或质量)定义差别较大,通常燃料电池堆功率密度可分为四层级别,分别为:活性面积层、电池组层、端板层和外壳层。以德国Elringklinger AG为例,其新一代NM5燃料电池堆的活性面积层级功率密度为8.1kW/L,电池组层级功率密度为4.6kW/L,端板层级功率密度为4kW/L。

注:动力电池为储能装置,燃料电池为电化学发电站并非储能装置。因此,动力电池和燃料电池通常分别采用能量密度和功率密度来体现其动力特性。

(2)防护等级

IP(Ingress Protection)防护等级系统是国际电工委员会起草,将电器依其防尘防湿之特性加以分类。通常,在国内燃料电池系统产品参数里可以看到“防护等级 IP67”的说明。IP防护等级由两个数字组成,第yi个数字表示电器防尘、防止外物侵入的等级;第二个数字表示电器防湿气、防水浸入的密闭程度。两个数字越大,表示防护等级越高。

某产品防护等级标注

IP防护等级系统中,第yi个数字最gao6,表示“完全防止外物及灰尘浸入”,第二个数字最gao8,表示“在深度超过1米的水中防持续浸泡影响且准确的条件由制造商针对各设备指定”。

注:对于国内燃料电池系统供应商普遍标注的“防护等级 IP67”,其中第二个数字7表示“在深达1米的水中防30分钟的浸泡影响”,据调研发现,尚无任何有关国内燃料电池系统产品的防尘防湿报道和实验,对这一标注存疑。

(3)低温启动

低温启动(Cold Start)又称冷启动或低温环境适应能力(国内有标注:运行环境温度、工作环境温度),表示燃料电池从低于0℃以下的外界环境中启动的过程。燃料电池低温启动能力的衡量指标有启动zui低温度、启动过程耗能和启动时间等。

根据GB/T 33979-2017《质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法》中定义,低温启动过程为燃料电池系统从0℃以下的冷态达到输出额定功率90%的过程。根据美国DOE技术报告,低温启动过程为燃料电池系统从0℃以下的冷态达到输出额定功率50%的过程。目前丰田和现代汽车公司在低温启动指标方面排名靠前。

国内针对低温启动使用普遍较多的是工作温度区间、环境温度区间、zui低工作温度、zui低存储温度等,并且通常zui低存储温度低于zui低启动温度。『燃料电池干货』团队认zui低存储温度和zui低启动温度并非国际主流标注行为。或许可以这样认为,以一次夜间低温存储和启动过程来说,夜间环境温度较低(对应存储温度),启动时刻(早上)环境温度较高(对应启动温度)。

注:国际上公布燃料电池低温启动详细过程的为丰田Mirai燃料电池汽车,其曾经在加拿大黄刀镇(Yellowknife)测出在35s和70s分别达到输出额定功率60%和100%(环境zui低温度低于-30℃)。

(4)耐久性

耐久性(durability)又称寿命,表征燃料电池抵抗自身和自然环境双重因素长期破坏作用的能力,燃料电池寿命需要达到5000h才能满足车用动力系统要求。

美国DOE最xin技术指标中提出到2020年净功率80kW的燃料电池堆和系统耐久性目标为5000小时,规定在工作温度不低于80℃和指定耐久性测试工况下额定功率衰减不大于10%。此外,欧盟联合研究中心(JRC)也发布了适用于燃料电池核心组件MEA的耐久性测试标准,日本NEDO也推出了关于燃料电池膜电极和电堆产品耐久性的测试标准。

DOE耐久性测试工况

国内目前尚无燃料电池零部件及其系统耐久性的国家测试标准。据调研,目前由全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会归口上报并执行的国家标准计划《车用质子交换膜燃料电池发电系统耐久性测试方法》已于2018年1月9日下达,项目周期2年,预计2020年正式发布。在国内尚无标准前提下,尚无从得知相关企业发布耐久性或寿命有无参考相关标准。

此外,据悉,由清华大学裴普成教授等人制定的质子交换膜燃料电池堆寿命测评国家标准预计明年发布设施,寿命加速测试可能达400小时(通过模拟真实衰减过程的加速老化测试可以降低时间和成本)。

注:丰田燃料电池车Mirai研发负责人曾表示,燃料电池使用寿命需要参考使用频率和环境等因素,保守估计Mirai的燃料电池使用15年衰减15%左右。国内鲜有燃料电池使用寿命的报道,媒体报道通常采用“**电堆耐久性突破5000小时”的头条。

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