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一、引言
随着全球对环保和可持续能源的需求不断增长，燃料电池作为一种高效、清洁的能源转换装置，在船舶领域的应用逐渐受到关注。船舶燃料电池系统在实际运行中会面临各种复杂的环境条件，如温度、湿度、盐雾、振动等，这些环境因素会对燃料电池系统的性能、可靠性和耐久性产生显著影响。因此，开展船舶燃料电池系统的环境测试，对于评估其在实际工况下的适用性和稳定性，确保船舶航行安全和能源利用效率具有重要意义。
二、关键测试项目与步骤
（一）高低温测试
1.低温启动测试
试验设备：高低温环境试验箱、燃料电池测试系统、数据采集装置。
试验步骤：
将燃料电池系统安装在高低温环境试验箱内，连接好燃料电池测试系统和数据采集装置。
使燃料电池系统处于冷机状态，加注冷却液。
在浸机开始前，将燃料电池系统起动至怠速状态，持续时间（含起动）不超过3min，然后立即关闭。
设置环境试验箱温度为-30 ℃或更低温度（根据实际需求设定），温度控制在设定温度的±2 ℃内。当环境温度达到设定温度后开始计时，有效浸机时间为12 h，浸机过程中不应有人工干预、加热保温及外接热源等措施。
浸机过程结束后，通过燃料电池测试系统向燃料电池系统发送起动指令，记录起动时间、电池电压、电流、输出功率等参数。
燃料电池系统起动后，向其发送加载指令，加载到制造商申报的系统额定功率后持续稳定运行10 min，监测燃料电池系统的输出功率应始终处于10 min平均功率的97%-103%之间，且燃料电池系统输出的10 min平均功率应不低于申报值，然后发送关机指令，完成关机操作。记录从发送起动指令开始至燃料电池系统达到额定功率的时间以及氢气消耗量。
2.高温运行测试
试验设备：与低温启动测试相同。
试验步骤：
将燃料电池系统安装在高低温环境试验箱内并连接好相关设备。
设置环境试验箱温度为60 ℃（可根据实际需求调整），温度控制在设定温度的±2 ℃内。
待环境温度稳定后，启动燃料电池系统，使其在额定工况下运行。
持续运行过程中，每隔一定时间（如15 min）记录燃料电池系统的电压、电流、功率、温度、氢气流量等参数，监测系统运行的稳定性和性能变化情况，运行时间根据测试要求确定，一般不少于4 h。
（二）湿度测试
1.恒定湿热测试
试验设备：恒温恒湿试验箱、燃料电池测试系统、数据采集装置。
试验步骤：
将燃料电池系统放置于恒温恒湿试验箱中，连接好测试系统和数据采集装置。
设置试验箱温度为40 ℃，相对湿度为95 %（可根据船舶实际运行环境调整温湿度参数），温湿度偏差控制在标准规定范围内。
保持此温湿度条件，启动燃料电池系统并使其在额定工况下运行。
运行过程中，每隔30 min记录一次燃料电池系统的各项性能参数，如电压、电流、功率、氢气利用率等，连续运行时间为48 h，观察系统在高湿度环境下的性能变化和运行稳定性。
2.交变湿热测试
试验设备：同恒定湿热测试。
试验步骤：
将燃料电池系统安装在恒温恒湿试验箱内并连接测试设备。
按照设定的交变湿热循环程序进行试验，例如：升温阶段，在1 h内将温度从25 ℃升高到60 ℃，同时湿度保持在95 %；高温高湿稳定阶段，保持60 ℃、95 %RH运行2 h；降温阶段，在2h内将温度从60℃降至25℃，同时湿度从95%降至75%；低温低湿稳定阶段，保持25 ℃、75 %RH运行1 h，此为一个循环。
启动燃料电池系统，使其在额定工况下运行，每个循环过程中，在不同阶段定时记录燃料电池系统的性能参数，共进行10个循环，分析系统在交变湿热环境下的性能劣化情况和可靠性。
（三）盐雾测试
盐雾腐蚀测试
试验设备：盐雾试验箱、燃料电池测试系统、盐雾浓度检测装置、数据采集装置。
试验步骤：
针对船舶燃料电池系统特点设计专门夹具，将燃料电池系统固定在盐雾试验箱内合适位置，确保盐雾能均匀覆盖系统各部件，连接好燃料电池测试系统和数据采集装置 ，安装盐雾浓度检测装置。
配制浓度为5 %的氯化钠溶液（质量分数），调节盐雾试验箱使其产生连续盐雾，盐雾沉降量控制在1-2 ml/（80 cm²h），盐雾试验箱内温度保持在35 ℃，偏差±2 ℃。
保持盐雾环境，启动燃料电池系统，使其在低负载工况下运行（如额定功率的20 %）。
每24 h中断盐雾，取出燃料电池系统，使用去离子水冲洗干净，干燥后进行外观检查，记录腐蚀情况。然后重新放回盐雾试验箱继续测试，连续测试时间为72 h。测试结束后，对燃料电池系统进行全面性能测试，对比测试前后性能参数，评估盐雾对系统的腐蚀影响。
（四）振动测试
1.正弦振动测试
试验设备：振动试验台、振动控制器、加速度传感器、燃料电池测试系统、数据采集装置。
试验步骤：
使用专门设计的安装工装将燃料电池系统牢固安装在振动试验台上，在系统关键部位（如电堆、控制器、管路连接处等）安装加速度传感器，连接好燃料电池测试系统和数据采集装置，将振动控制器与振动试验台连接。
根据船舶实际运行时可能遇到的振动频率范围（一般为5-200 Hz）和加速度值（如0.5-5 g），制定正弦振动试验谱。例如，从5 Hz开始，以每分钟1倍频程的速率增加到200 Hz，然后再以相同速率降回到5 Hz，此为一个循环。
设置振动试验台参数，按照试验谱进行振动试验。在振动过程中，启动燃料电池系统使其在额定工况下运行。
每隔10 min记录一次燃料电池系统的电压、电流、功率等性能参数以及加速度传感器测量的振动数据，共进行10个循环，检查系统各部件的紧固情况和连接可靠性，观察是否有零部件损坏、管路松动、电气连接不良等现象，评估振动对燃料电池系统性能和结构完整性的影响。
2.随机振动测试
试验设备：与正弦振动测试相同。
试验步骤：
将燃料电池系统安装在振动试验台上，安装好传感器并连接测试设备，设置振动控制器。
根据船舶实际运行的随机振动环境，确定功率谱密度（PSD）函数和振动时间。例如，功率谱密度在5-50 Hz为0.05 g²/Hz，50-100 Hz按斜率-3 dB/oct衰减，100-200 Hz为0.01 g²/Hz，振动时间为30 min。
启动振动试验台，按照设定的随机振动条件进行试验，同时启动燃料电池系统使其在额定工况下运行。
在试验过程中，实时采集燃料电池系统的性能参数和振动数据，试验结束后，对燃料电池系统进行全面检查和性能测试，判断随机振动对系统造成的影响，如是否引起结构疲劳、性能下降等问题。
（五）综合环境测试
温湿度振动三综合测试
试验设备：三综合试验箱（可同时模拟温度、湿度和振动环境）、振动控制器、加速度传感器、燃料电池测试系统、数据采集装置。
试验步骤：
将燃料电池系统安装在三综合试验箱内的振动台上，安装好加速度传感器，连接好燃料电池测试系统和数据采集装置，设置三综合试验箱和振动控制器参数。
按照预定的综合试验程序进行测试。例如，首先将温度从25 ℃以2 ℃/min的速率升高到60 ℃，同时湿度从50 %RH升高到95%RH，在升温升湿过程中，振动试验台按照正弦振动试验谱（5-200 Hz，0.5-3 g）进行振动，到达设定的温湿度和振动条件后保持2h；然后以相同速率降温降湿至初始条件，同时振动保持，此为一个循环。
在整个测试过程中，燃料电池系统始终在额定工况下运行，每隔15 min记录一次系统的性能参数和振动数据，共进行5个循环。测试结束后，检查燃料电池系统的外观、结构完整性以及性能变化情况，评估多环境因素综合作用对系统的影响。
在船用燃料电池堆/系统测评领域，上海汽检氢能实验室2024年获得了“中国船级社”产品检测和实验机构认可证书，可开展全项船用氢燃料电池测试，测评工具链如图1所示，上海汽检船用燃料电池模块、系统产品检测和试验机构船级社认可证书如图2所示，可帮助船用氢燃料电池发电系统和氢燃料电池模块生产企业一站式完成船级社型式认可所需的全部试验项目。
图1 上海汽检氢能平台船用燃料电池堆/系统测评工具链
图2 上海汽检船用燃料电池模块、系统产品检测和试验机构船级社认可证书
三、测试数据分析与评估
1.性能参数分析：对测试过程中记录的燃料电池系统电压、电流、功率、氢气利用率、效率等性能参数进行整理和分析，绘制参数随时间或环境因素变化的曲线，对比不同环境条件下的性能数据，评估环境因素对系统性能的影响程度和规律。例如，分析在高低温测试中，温度变化对系统输出功率和启动时间的影响；在盐雾测试中，盐雾浓度与系统性能衰减的关系等。
2.故障分析：统计测试过程中燃料电池系统出现的故障类型、故障时间和故障表现，如电堆故障（膜电极损坏、双极板腐蚀等）、管路泄漏、电气系统故障等。通过对故障数据的分析，找出故障发生的主要原因和影响因素，评估系统在不同环境下的可靠性和稳定性 。例如，在振动测试后发现管路连接处泄漏，分析是由于振动导致的连接件松动还是材料疲劳损坏引起的。
3.耐久性评估：根据综合环境测试和长期的环境测试数据，结合燃料电池系统的设计寿命和性能指标要求，对系统的耐久性进行评估。预测系统在实际船舶运行环境下的使用寿命和性能衰减趋势，为船舶燃料电池系统的优化设计和维护保养提供依据 。例如，通过多轮次的温湿度振动三综合测试，根据系统性能的衰减情况，预估其在实际海洋环境中长期运行时的寿命。
4.对比分析：将本次测试结果与其他类似船舶燃料电池系统的环境测试结果进行对比，或者与该系统在实验室理想环境下的性能数据进行对比，分析本系统在环境适应性方面的优势和不足，提出改进方向和措施。例如，对比不同厂家生产的船舶燃料电池系统在相同盐雾测试条件下的性能表现，找出差距，为产品改进提供参考。
四、结论
通过对船舶燃料电池系统进行全面的环境测试，包括高低温、湿度、盐雾、振动以及综合环境测试，并对测试数据进行深入分析和评估，可以充分了解船舶燃料电池系统在不同环境条件下的性能、可靠性和耐久性。这些测试结果对于船舶燃料电池系统的研发、设计、生产和应用具有重要的指导意义，有助于提高系统的环境适应性和稳定性，推动燃料电池技术在船舶领域的广泛应用，为实现绿色船舶和可持续航运发展提供技术支持。同时，随着燃料电池技术的不断发展和船舶应用需求的变化，还需要不断完善和更新环境测试方法和标准，以更好地满足实际工程需要。
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