氫燃料電池汽車是我國新能源汽車戰略的重要組成部分，發達國家紛紛將其列入未來汽車發展方向。我國也出臺了一系列政策與規劃引導氫燃料電池技術和市場的進一步發展，并開展小批量示范運營。但目前國內氫燃料電池汽車在商業化過程中還存在一些瓶頸問題，如核心技術與國際先進水平仍有差距、產業鏈相對薄弱、耐久性有待進一步提升等。

　　1 燃料電池客車技術現狀

　　1. 1 國外技術現狀國外先進的燃料電池系統在耐久性、功率密度等性能方面取得明顯進步，成本方面顯著降低，已進入小批量產業化階段。國際上主要商用車企業的客車用燃料電池參數對比見表 1。根據美國可再生能源實驗室總結近 2 年美國 FCBUS 的運行情況報告，燃料電池平均運行時間已達到 14 000 h，其中最長運行時間( 巴拉德) 已經超過 25 000 h [1]。

　　1. 2 國內技術現狀目前我國的氫能燃料電池尚屬于產業發展初期。總體來說，與國外先進的燃料電池相比還有一些差距[2]。除了催化劑、碳紙、質子交換膜、空壓機、氫循環泵等關鍵材料和零部件的產業化能力有待提升、技術標準體系仍需完善之外，可靠性與耐久性等與國際先進水平也存在一些差距，尤其在車載工況下的可靠性與耐久性有待提高。燃料電池可靠性與耐久性不僅與燃料電池電堆有關，還依賴于系統的集成與控制，包括氫氣供給、空氣供給、水熱管理等。因此，需加強燃料電池各子系統及控制策略研究，尤其要加強車載工況、低溫、雜質等實際運行環境下性能衰減機理與環境適應性研究，從而大幅提升燃料電池產品的可靠性與耐久性[3]。

　　2 燃料電池系統耐久性控制技術

　　2. 1 影響燃料電池壽命的因素根據燃料電池的性能衰減機理，特別是在關鍵材料與部件失效、電堆內部狀態一致性和運行工況影響等方面[4]，影響燃料電池壽命的因素如下: 1) 啟動-停機循環。會造成陰極催化劑表面積損失、催化劑層水聚焦、膜形成穿孔。其原因主要是催化劑顆粒由于碳腐蝕減小、催化劑層形態由于碳腐蝕發生劣化、干-濕循環形成機械應力等導致膜的機械性能減弱。 2) 負載循環變化。會造成陰極催化劑表面積損失和膜形成穿孔。其原因主要是電位循環會導致催化劑流失，濕度、溫度和壓力循環會形成機械應力，導致膜的老化。 3) 怠速。會造成膜穿孔和膜質子交換能力下降，主要是由于過氧化氫的化學攻擊和膜分解物會導致膜中毒。

　　2. 2 燃料電池系統整車級耐久性控制技術目前，基于成本和技術現狀的考慮，氫-電混合是燃料電池客車的主流技術路線，它集合了全功率燃料電池汽車( FCV) 與純動力電池汽車( EV) 的優點[5]，其動力系統構型如圖 1 所示。采用氫-電混合的控制策略，在勻速行駛階段，燃料電池發動機提供功率; 在加速或爬坡行駛階段，燃料電池發動機和動力電池共同提供功率[6]。燃料電池系統整車級耐久性控制技術主要包括: 1) 盡量讓燃料電池發動機工作在特定功率區域，減少變載可以穩定質子交換膜兩側壓差，減弱由于膜的機械運動而導致的性能衰減和催化劑的流失。 2) 設定較寬的動力電池 SOC 區間，避免燃料電池發動機頻繁變載。 3) 怠速和啟停將導致較為嚴重的燃料電池壽命衰減問題，故設定較寬的動力電池 SOC 區間對應于燃料電池的啟動/停機工況，減少啟停次數。根據以上情況，在原有整車控制策略的基礎上，優化燃料電池的啟停控制和功率需求控制，優化前后的整車控制策略見表 2。

　　2. 3 燃料電池系統部件級耐久性控制技術 1) 燃料電池單體( 單電池) 電壓過高會造成單電池中的雙極板和碳紙中的碳被氧化，進而造成催化劑鉑的流失，導致燃料電池壽命縮短[7]。開路、怠速、低載都會使單電池電壓升高，其中開路狀況會在燃料電池發動機啟停時出現。所以降低單電池電壓過高的控制策略是: 設置寬動力電池 SOC 區間，避免燃料電池頻繁啟停; 燃料電池啟動后不讓其輸出功率處于怠速狀態; 對升壓 DC /DC 的請求功率跟隨單電池電壓進行 PID 控制，避免單電池電壓超過 0. 8 V; 在升壓 DC /DC 上加裝放電電阻，停車時燃料電池關機斷高壓后，迅速接通放電電阻，使高單電池電壓能夠迅速恢復到正常值以下。2) 電堆陽極積水會造成氫饑餓，氫饑餓同樣會造成鉑催化劑被氧化，進而影響燃料電池的耐久性。可通過增加氫氣循環泵轉速，提供充足的氫氣使氫氣流道中產生的水被流動的氫氣帶走，從而避免陽極積水。 3) 通過化學空濾和交流脈沖掃描法恢復部分催化劑的活性。空氣中的硫化物等雜質較多，對燃料電池鉑催化劑是一個累積性的毒化作用。燃料電池系統的空氣過濾器又稱化學空濾，其主要原理是采用改性活性炭通過化學反應吸附 SO2等雜質。除了定時更換化學空濾器外，還可采用在升壓 DC /DC 中設置交流脈沖電源，對 MEA 膜上的鉑催化劑中的 SO2等雜質進行脈沖掃描，促使 SO2 等雜質發生電化學反應[8]，從而解除 SO2等雜質占據鉑催化劑的活性位，恢復氧化還原反應的進行，有效抵抗污染空氣對燃料電池內部鉑催化劑的毒化[9]。

　　3 燃料電池系統耐久性測試

　　3. 1 燃料電池系統臺架耐久性測試采用自主研發的燃料電池發動機，匹配 30 kW 的燃料電池電堆。基于圖 2 所示的多模式耐久性控制策略，進行燃料電池耐久性臺架試驗。經過 500 h 的耐久測試，數據顯示性能沒有降低。如圖 3 所示。

　　3. 2 燃料電池客車實際道路耐久性測試選取 40 輛燃料電池客車訂單中的 5 輛車，采用表 2 和圖 2 所示的優化后整車控制策略和燃料電池系統多模式耐久性控制策略，進行 30 000 km 的實際道路運行試驗并跟蹤其狀態，燃料電池系統耐久性測試結果如圖 4 所示。

　　此 5 輛車運行 12 000 km 左右時普遍出現燃料電池性能提升，略有超過預期的情況，其中 3 號車的情況見表 3。其原因為電堆經過一段時間的工作活化，其內部的濕度等指標優于初始值。另外，其中 3 號車在 27 000 km 左右時，電堆電流和電堆功率衰減較為明顯，超過 2%，原因是此時正值冬季供暖時間，空氣中的 SO2雜質較多，其化學空濾提前達到飽和，無法過濾更多的有害氣體。除更換已飽和的化學空濾外，還對燃料電池電堆啟動交流脈沖掃描法恢復措施[9]，從而燃料電池的性能得到回升。3 號車的運行數據見表 3 和圖 5。其余 4 輛車經過 30 000 km 的跟蹤觀察，其衰減幅度在 0. 7% ～ 1. 7%，均在預期的合理范圍內。

　　4 結束語

　　本文介紹了國內外燃料電池客車技術現狀，分別從燃料電池客車整車角度和燃料電池系統的角度探討了燃料電池的耐久性控制技術，通過減緩燃料電池性能衰減的控制方法，開發了燃料電池多模式耐久性控制策略，并進行燃料電池的臺架測試和實際道路測試驗證。

　　參考文獻:

　　[1]周慶偉，王燕文.燃料電池汽車動力系統模塊化集成設計探討[J].上海汽車，2017( 7) : 3-8，18.

　　[2]程一步. 氫燃料電池技術應用現狀及發展趨勢分析[J].石油石化綠色低碳，2018，3( 2) : 5-13.

　　[3]邵志剛，衣寶廉.氫能與燃料電池發展現狀及展望[J]. 中國科學院院刊，2019，34( 4) : 469-477.

　　《客車用燃料電池系統耐久性研究》來源：《客車技術與研究》，作者：梁滿志，范志先，馮海明，崔慶虎，于任雯川