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    國內燃料電池堆及系統產品參數的真實意義

    發布日期: 2020-03-09
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    (1)功率密度

    功率密度分體積功率密度、質量功率密度和面積比功率等,前兩者對于燃料電池堆和系統皆適用,單位一般為kW/L、kW/kg,面積比功率一般應用于燃料電池膜電極。功率密度針對燃料電池堆使用場合較多,定義為燃料電池堆的峰值功率除以燃料電池堆的體積(或質量)。

    由于燃料電池堆體積(或質量)定義差別較大,通常燃料電池堆功率密度可分為四層級別,分別為:活性面積層、電池組層、端板層和外殼層。以德國Elringklinger AG為例,其新一代NM5燃料電池堆的活性面積層級功率密度為8.1kW/L,電池組層級功率密度為4.6kW/L,端板層級功率密度為4kW/L。

    注:動力電池為儲能裝置,燃料電池為電化學發電站并非儲能裝置。因此,動力電池和燃料電池通常分別采用能量密度和功率密度來體現其動力特性。

    (2)防護等級

    IP(Ingress Protection)防護等級系統是電工委員會起草,將電器依其防塵防濕之特性加以分類。通常,在國內燃料電池系統產品參數里可以看到“防護等級 IP67”的說明。IP防護等級由兩個數字組成,第yi個數字表示電器防塵、防止外物侵入的等級;第二個數字表示電器防濕氣、防水浸入的密閉程度。兩個數字越大,表示防護等級越高。

    某產品防護等級標注

    IP防護等級系統中,第yi個數字gao6,表示“完全防止外物及灰塵浸入”,第二個數字gao8,表示“在深度超過1米的水中防持續浸泡影響且準確的條件由制造商針對各設備”。

    注:對于國內燃料電池系統供應商普遍標注的“防護等級 IP67”,其中第二個數字7表示“在深達1米的水中防30分鐘的浸泡影響”,據調研發現,尚無任何有關國內燃料電池系統產品的防塵防濕報道和實驗,對這一標注存疑。

    (3)低溫啟動

    低溫啟動(Cold Start)又稱冷啟動或低溫環境適應能力(國內有標注:運行環境溫度、工作環境溫度),表示燃料電池從低于0℃以下的外界環境中啟動的過程。燃料電池低溫啟動能力的衡量指標有啟動zui低溫度、啟動過程耗能和啟動時間等。

    根據GB/T 33979-2017《質子交換膜燃料電池發電系統低溫特性測試方法》中定義,低溫啟動過程為燃料電池系統從0℃以下的冷態達到輸出額定功率90%的過程。根據美國DOE技術報告,低溫啟動過程為燃料電池系統從0℃以下的冷態達到輸出額定功率50%的過程。目前豐田和現代汽車公司在低溫啟動指標方面排名靠前。

    國內針對低溫啟動使用普遍較多的是工作溫度區間、環境溫度區間、zui低工作溫度、zui低存儲溫度等,并且通常zui低存儲溫度低于zui低啟動溫度?!喝剂想姵馗韶洝粓F隊認zui低存儲溫度和zui低啟動溫度并非主流標注行為?;蛟S可以這樣認為,以一次夜間低溫存儲和啟動過程來說,夜間環境溫度較低(對應存儲溫度),啟動時刻(早上)環境溫度較高(對應啟動溫度)。

    注:上公布燃料電池低溫啟動詳細過程的為豐田Mirai燃料電池汽車,其曾經在加拿大黃刀鎮(Yellowknife)測出在35s和70s分別達到輸出額定功率60%和100%(環境zui低溫度低于-30℃)。

    (4)耐久性

    耐久性(durability)又稱壽命,表征燃料電池抵抗自身和自然環境雙重因素長期破壞作用的能力,燃料電池壽命需要達到5000h才能滿足車用動力系統要求。

    美國DOExin技術指標中提出到2020年凈功率80kW的燃料電池堆和系統耐久性目標為5000小時,規定在工作溫度不低于80℃和耐久性測試工況下額定功率衰減不大于10%。此外,歐盟聯合研究中心(JRC)也發布了適用于燃料電池核心組件MEA的耐久性測試標準,日本NEDO也推出了關于燃料電池膜電極和電堆產品耐久性的測試標準。

    DOE耐久性測試工況

    國內目前尚無燃料電池零部件及其系統耐久性的國家測試標準。據調研,目前由全國燃料電池及液流電池標準化技術委員會歸口上報并執行的國家標準計劃《車用質子交換膜燃料電池發電系統耐久性測試方法》已于2018年1月9日下達,項目周期2年,預計2020年正式發布。在國內尚無標準前提下,尚無從得知相關企業發布耐久性或壽命有無參考相關標準。

    此外,據悉,由清華大學裴普成教授等人制定的質子交換膜燃料電池堆壽命測評國家標準預計明年發布設施,壽命加速測試可能達400小時(通過模擬真實衰減過程的加速老化測試可以降低時間和成本)。

    注:豐田燃料電池車Mirai研發負責人曾表示,燃料電池使用壽命需要參考使用頻率和環境等因素,保守估計Mirai的燃料電池使用15年衰減15%左右。國內鮮有燃料電池使用壽命的報道,媒體報道通常采用“**電堆耐久性突破5000小時”的頭條。

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