由于燃料電池在零下環(huán)境中，其反應(yīng)生成物水會(huì)因低溫而凍結(jié)，造成燃料電池性能下降，無法啟動(dòng)。冷啟動(dòng)(燃料電池從低于0°C以下成功啟動(dòng)并運(yùn)行至正常溫度(70~80℃)稱為冷啟動(dòng))是燃料電池汽車在冬季運(yùn)行(尤其是北方冬季)的最大挑戰(zhàn)。
衡量冷啟動(dòng)能力的指標(biāo)有啟動(dòng)最低溫度、啟動(dòng)過程耗能和啟動(dòng)時(shí)間等。目前豐田在低溫啟動(dòng)指標(biāo)方面排名靠前，2014年已實(shí)現(xiàn)燃料電池堆-30℃環(huán)境中啟動(dòng)時(shí)，35s內(nèi)達(dá)60%額定功率，70s達(dá)100%額定功率。
高工氫電了解到，國內(nèi)公司現(xiàn)階段大多采用“停機(jī)吹掃+啟動(dòng)升溫”，即在停機(jī)吹掃的基礎(chǔ)上，電池啟動(dòng)時(shí)使電堆升溫融冰的速度快于電堆結(jié)冰的速度，來實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)。
從實(shí)際運(yùn)行情況來看，目前國內(nèi)在低溫啟動(dòng)方面的技術(shù)稱不上很好，只能說勉強(qiáng)“夠用”，比如一家燃料電池系統(tǒng)企業(yè)配套的公交車在北方運(yùn)行，冷啟動(dòng)方面問題不大，冬季車輛停機(jī)吹掃大致需要幾分鐘，啟動(dòng)時(shí)加熱需要10~15分鐘的加熱時(shí)間。當(dāng)然也有技術(shù)能力不錯(cuò)的企業(yè)表示能夠在8分鐘左右完成加熱。
“北方冬季車輛前風(fēng)擋玻璃上經(jīng)常有大量結(jié)冰結(jié)霜，低溫地區(qū)車輛啟動(dòng)本來就需要熱機(jī)的過程。所以對(duì)于燃料電池升溫等待時(shí)間較長可以接受。”一名業(yè)內(nèi)人士稱。
但也有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，真正意義上的冷啟動(dòng)，國內(nèi)要向豐田、現(xiàn)代看齊，開機(jī)就跑，不需要加熱等待。目前國內(nèi)冷啟動(dòng)技術(shù)落后豐田太多，要追趕國際先進(jìn)水平，從膜電極到電堆再到系統(tǒng)企業(yè)都要參與進(jìn)去，提升材料性能，使所有環(huán)節(jié)都能在低溫情況下達(dá)到自適應(yīng)。
談及冷啟動(dòng)技術(shù)改進(jìn)方向，技術(shù)人士提出，冷啟動(dòng)應(yīng)該是“自啟+外部加熱”共同作用，雙管齊下更能夠快速助力冷啟動(dòng)。但也有人指出，未來在車用燃料電池系統(tǒng)應(yīng)該以自啟為主，要慢慢淘汰外部升溫方式，因?yàn)檫@種方式附帶的輔助系統(tǒng)質(zhì)量體積較大，會(huì)占用額外空間、重量、消耗大量能量，加重系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，增加制造成本。
值得注意的是，國內(nèi)幾家主流燃料電池企業(yè)高層對(duì)高工氫電透露，目前在燃料電池冷啟動(dòng)方面所采取的技術(shù)是比較保守的，因?yàn)楸绕饐?dòng)速度，客戶更看重的是電堆、系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的使用壽命，當(dāng)前他們主要關(guān)注點(diǎn)還是在提升燃料電池耐久性。
其實(shí)下游應(yīng)用企業(yè)的心情可以理解，在燃料電池使用壽命及運(yùn)行穩(wěn)定性與否還沒有徹底解決好之前，冷啟動(dòng)問題只能暫時(shí)往后再放一放，目前差不多夠用就行，但終究這是個(gè)必然要解決的問題，尤其對(duì)于北方應(yīng)用的燃料電池車輛而言。
下文從技術(shù)角度淺談冷啟動(dòng)的解決方案，以及列出國內(nèi)目前在冷啟動(dòng)方面做的比較好的產(chǎn)品案例，以供讀者參考。
停機(jī)吹掃
燃料電池系統(tǒng)冷啟動(dòng)前的停機(jī)吹掃是為了避免停機(jī)后質(zhì)子交換膜殘余水分凍結(jié)而導(dǎo)致電堆性能下降或損壞。根據(jù)常用介質(zhì)模式的不同，可分為三種：鼓風(fēng)吹掃、干氣體吹掃、失壓吹掃。
鼓風(fēng)吹掃是目前應(yīng)用較廣的吹掃方式，其原理是停機(jī)后通過空氣及氫氣供給系統(tǒng)，對(duì)電堆進(jìn)行吹掃帶出殘余水分。但其不足之處在于，由于膜電極和流場之間的水濃度差異較小，且膜電極組件的擴(kuò)散層為多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)，鼓風(fēng)吹掃難以在短時(shí)間內(nèi)從流場流道中帶走膜電極中的水。
干氣體吹掃原理是關(guān)機(jī)前向電堆沖入干氣體介質(zhì)(一般為惰性氣體：氦氣或氮?dú)?來排出流場中的水。該方法消耗額外的能量，降低整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，且時(shí)間過長，使膜電極脫水，造成性能損傷，并不適合車載燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用，多用于臺(tái)架試驗(yàn)，
失壓吹掃原理是突然降低空氣進(jìn)氣壓力，以清除電堆內(nèi)部的水。學(xué)者指出，該方法比干氣體吹掃具有更佳的吹掃效果，可以在短時(shí)間內(nèi)更徹底的除去電堆內(nèi)的殘余水分。但并不適用于具有毛細(xì)排水板的電堆，且對(duì)電堆膜電極的機(jī)械強(qiáng)度有較高要求。
啟動(dòng)升溫
據(jù)了解，電堆冷啟動(dòng)的升溫方式主要可劃分為兩大類，即外部加熱升溫方式和內(nèi)部升溫方式。
外部升溫方式主要有：電加熱器加熱、電堆逆向加熱、催化燃燒加熱。
電加熱器加熱是目前比較常用的一種方式，通過電加熱器加熱冷卻液，加熱的冷卻液流入電堆的冷卻液散熱流道，對(duì)電堆進(jìn)行加熱。電堆逆向加熱即向電堆添加反向電壓，使電堆進(jìn)入電解水或?yàn)l臨電解水反應(yīng)的狀態(tài)，此狀態(tài)下整個(gè)電堆為電加熱器，迅速升溫。催化燃燒加熱是使氫氣與氧氣在催化燃燒器中燃料發(fā)熱，利用燃燒后的高熱氣體加熱電堆組件。
內(nèi)部升溫方式主要有：控制電堆輸出特質(zhì)自升溫、通過反應(yīng)物饑餓自升溫、通過向電堆內(nèi)通入反應(yīng)氣體混合物自升溫。
通過控制電堆輸出特質(zhì)，實(shí)現(xiàn)自升溫的方法可分為恒電流法和恒電壓法，該類方法具有更佳的節(jié)能效果，被豐田的Mirai所采用。但有業(yè)內(nèi)人士指出，該方法的弊端在于，一旦氫氣的供給量計(jì)算失誤，將會(huì)導(dǎo)致電堆燒毀，或更加嚴(yán)重的事故。
通過反應(yīng)物饑餓自升溫的原理是，反應(yīng)物饑餓時(shí)，電極上將產(chǎn)生很高的過電位，導(dǎo)致內(nèi)阻引起的內(nèi)部發(fā)熱增加。
通過向電堆內(nèi)通入反應(yīng)氣體混合物自升溫是將少量燃料氣體混入陰極供氣端一起供入電堆內(nèi)部，送入陰極的混合氣體經(jīng)催化層催化反應(yīng)后的能量全部轉(zhuǎn)化為熱量，使電堆迅速升溫。據(jù)悉，該方法會(huì)導(dǎo)致空氣中的氮?dú)饧捌渌镔Y在陽極堆積，不適用于以空氣為主要反應(yīng)物的車載燃料電池系統(tǒng)。
冷啟動(dòng)優(yōu)秀產(chǎn)品案例
近年來，國內(nèi)以億華通、新源動(dòng)力、氫璞創(chuàng)能、捷氫科技、浙江氫途、雄韜氫雄為代表的電堆、燃料電池系統(tǒng)制造企業(yè)在冷啟動(dòng)領(lǐng)域投入研發(fā)并取得一定成果，努力追趕國際先進(jìn)水平。
億華通研發(fā)的YHTG60SS燃料電池系統(tǒng)采用石墨雙極板，系統(tǒng)額定功率為60kW，功率密度突破500W/kg。這款產(chǎn)品將精準(zhǔn)的關(guān)機(jī)吹掃控制技術(shù)與快速冷啟動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，有利于快速升溫和有效排水，實(shí)現(xiàn)石墨雙極板燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)-30℃低溫啟動(dòng)、-40℃低溫存儲(chǔ)。
新源動(dòng)力研發(fā)的第二代車用質(zhì)子交換膜燃料電池電堆模塊HYMOD®-36成功應(yīng)用上汽榮威750、上汽大通FCV80，成為我國首例自主研發(fā)、耐久性突破5000小時(shí)，可實(shí)現(xiàn)-10℃低溫啟動(dòng)、-40℃儲(chǔ)存。
氫璞創(chuàng)能電堆支持-30℃冷啟動(dòng)以滿足北方地區(qū)運(yùn)行需求;低壓降流場設(shè)計(jì)以滿足不同的集成需求;最高運(yùn)行溫度到85℃以降低對(duì)冷卻的需求。電堆允許工作壓力高達(dá)150kPaG,其中陽極工作壓力范圍15-130kPaG,陰極工作壓力范圍0-100kPaG。在1.3A/c㎡(F系列)的電流密度下，單片電壓達(dá)到0.65V以上。
捷氫科技自主研發(fā)的燃料電池系統(tǒng)PROMEP390電堆功率為115kW，體積功率密度為3.1kW/L，可實(shí)現(xiàn)-30℃低溫冷啟動(dòng)(無需外加熱源)，已實(shí)現(xiàn)與國際先進(jìn)燃料電池車企的技術(shù)對(duì)標(biāo)。
浙江氫途打造的第二代燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)-30℃低溫啟動(dòng)，今年3月，產(chǎn)品配套的公交車在湖北武漢、山西大同正式商業(yè)化運(yùn)行。
雄韜氫雄VISH-60A燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性能檢驗(yàn)符合GB/T24554-2009《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》中的規(guī)定且符合《動(dòng)力電池、燃料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)測試方法》并已通過多項(xiàng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證，符合車載條件下的抗震強(qiáng)度，在-30℃的低溫環(huán)境下能夠正常啟動(dòng)運(yùn)行。
