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燃料电池“冷启动”技术现状与策略分析

作者:中国储能网新闻中心 来源:高工氢燃料电池 发布时间:2020-01-20 浏览:
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由于燃料电池在零下环境中,其反应生成物水会因低温而冻结,造成燃料电池性能下降,无法启动。冷启动(燃料电池从低于0°C以下成功启动并运行至正常温度(70~80℃)称为冷启动)是燃料电池汽车在冬季运行(尤其是北方冬季)的最大挑战。

衡量冷启动能力的指标有启动最低温度、启动过程耗能和启动时间等。目前丰田在低温启动指标方面排名靠前,2014年已实现燃料电池堆-30℃环境中启动时,35s内达60%额定功率,70s达100%额定功率。

高工氢电了解到,国内公司现阶段大多采用“停机吹扫+启动升温”,即在停机吹扫的基础上,电池启动时使电堆升温融冰的速度快于电堆结冰的速度,来实现冷启动。

从实际运行情况来看,目前国内在低温启动方面的技术称不上很好,只能说勉强“够用”,比如一家燃料电池系统企业配套的公交车在北方运行,冷启动方面问题不大,冬季车辆停机吹扫大致需要几分钟,启动时加热需要10~15分钟的加热时间。当然也有技术能力不错的企业表示能够在8分钟左右完成加热。

“北方冬季车辆前风挡玻璃上经常有大量结冰结霜,低温地区车辆启动本来就需要热机的过程。所以对于燃料电池升温等待时间较长可以接受。”一名业内人士称。

但也有业内人士认为,真正意义上的冷启动,国内要向丰田、现代看齐,开机就跑,不需要加热等待。目前国内冷启动技术落后丰田太多,要追赶国际先进水平,从膜电极到电堆再到系统企业都要参与进去,提升材料性能,使所有环节都能在低温情况下达到自适应。

谈及冷启动技术改进方向,技术人士提出,冷启动应该是“自启+外部加热”共同作用,双管齐下更能够快速助力冷启动。但也有人指出,未来在车用燃料电池系统应该以自启为主,要慢慢淘汰外部升温方式,因为这种方式附带的辅助系统质量体积较大,会占用额外空间、重量、消耗大量能量,加重系统负担,增加制造成本。

值得注意的是,国内几家主流燃料电池企业高层对高工氢电透露,目前在燃料电池冷启动方面所采取的技术是比较保守的,因为比起启动速度,客户更看重的是电堆、系统在低温环境下的使用寿命,当前他们主要关注点还是在提升燃料电池耐久性。

其实下游应用企业的心情可以理解,在燃料电池使用寿命及运行稳定性与否还没有彻底解决好之前,冷启动问题只能暂时往后再放一放,目前差不多够用就行,但终究这是个必然要解决的问题,尤其对于北方应用的燃料电池车辆而言。

下文从技术角度浅谈冷启动的解决方案,以及列出国内目前在冷启动方面做的比较好的产品案例,以供读者参考。

停机吹扫

燃料电池系统冷启动前的停机吹扫是为了避免停机后质子交换膜残余水分冻结而导致电堆性能下降或损坏。根据常用介质模式的不同,可分为三种:鼓风吹扫、干气体吹扫、失压吹扫。

鼓风吹扫是目前应用较广的吹扫方式,其原理是停机后通过空气及氢气供给系统,对电堆进行吹扫带出残余水分。但其不足之处在于,由于膜电极和流场之间的水浓度差异较小,且膜电极组件的扩散层为多孔毛细结构,鼓风吹扫难以在短时间内从流场流道中带走膜电极中的水。

干气体吹扫原理是关机前向电堆冲入干气体介质(一般为惰性气体:氦气或氮气)来排出流场中的水。该方法消耗额外的能量,降低整车的燃油经济性,且时间过长,使膜电极脱水,造成性能损伤,并不适合车载燃料电池系统应用,多用于台架试验,

失压吹扫原理是突然降低空气进气压力,以清除电堆内部的水。学者指出,该方法比干气体吹扫具有更佳的吹扫效果,可以在短时间内更彻底的除去电堆内的残余水分。但并不适用于具有毛细排水板的电堆,且对电堆膜电极的机械强度有较高要求。

启动升温

据了解,电堆冷启动的升温方式主要可划分为两大类,即外部加热升温方式和内部升温方式。

外部升温方式主要有:电加热器加热、电堆逆向加热、催化燃烧加热。

电加热器加热是目前比较常用的一种方式,通过电加热器加热冷却液,加热的冷却液流入电堆的冷却液散热流道,对电堆进行加热。电堆逆向加热即向电堆添加反向电压,使电堆进入电解水或濒临电解水反应的状态,此状态下整个电堆为电加热器,迅速升温。催化燃烧加热是使氢气与氧气在催化燃烧器中燃料发热,利用燃烧后的高热气体加热电堆组件。

内部升温方式主要有:控制电堆输出特质自升温、通过反应物饥饿自升温、通过向电堆内通入反应气体混合物自升温。

通过控制电堆输出特质,实现自升温的方法可分为恒电流法和恒电压法,该类方法具有更佳的节能效果,被丰田的Mirai所采用。但有业内人士指出,该方法的弊端在于,一旦氢气的供给量计算失误,将会导致电堆烧毁,或更加严重的事故。

通过反应物饥饿自升温的原理是,反应物饥饿时,电极上将产生很高的过电位,导致内阻引起的内部发热增加。

通过向电堆内通入反应气体混合物自升温是将少量燃料气体混入阴极供气端一起供入电堆内部,送入阴极的混合气体经催化层催化反应后的能量全部转化为热量,使电堆迅速升温。据悉,该方法会导致空气中的氮气及其他物资在阳极堆积,不适用于以空气为主要反应物的车载燃料电池系统。

冷启动优秀产品案例

近年来,国内以亿华通、新源动力、氢璞创能、捷氢科技、浙江氢途、雄韬氢雄为代表的电堆、燃料电池系统制造企业在冷启动领域投入研发并取得一定成果,努力追赶国际先进水平。

亿华通研发的YHTG60SS燃料电池系统采用石墨双极板,系统额定功率为60kW,功率密度突破500W/kg。这款产品将精准的关机吹扫控制技术与快速冷启动技术相结合,有利于快速升温和有效排水,实现石墨双极板燃料电池发动机-30℃低温启动、-40℃低温存储。

新源动力研发的第二代车用质子交换膜燃料电池电堆模块HYMOD®-36成功应用上汽荣威750、上汽大通FCV80,成为我国首例自主研发、耐久性突破5000小时,可实现-10℃低温启动、-40℃储存。

氢璞创能电堆支持-30℃冷启动以满足北方地区运行需求;低压降流场设计以满足不同的集成需求;最高运行温度到85℃以降低对冷却的需求。电堆允许工作压力高达150kPaG,其中阳极工作压力范围15-130kPaG,阴极工作压力范围0-100kPaG。在1.3A/c㎡(F系列)的电流密度下,单片电压达到0.65V以上。

捷氢科技自主研发的燃料电池系统PROMEP390电堆功率为115kW,体积功率密度为3.1kW/L,可实现-30℃低温冷启动(无需外加热源),已实现与国际先进燃料电池车企的技术对标。

浙江氢途打造的第二代燃料电池发动机产品已实现-30℃低温启动,今年3月,产品配套的公交车在湖北武汉、山西大同正式商业化运行。

雄韬氢雄VISH-60A燃料电池发动机系统性能检验符合GB/T24554-2009《燃料电池发动机性能试验方法》中的规定且符合《动力电池、燃料相关技术指标测试方法》并已通过多项性能试验验证,符合车载条件下的抗震强度,在-30℃的低温环境下能够正常启动运行。

关键字:燃料电池

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