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和燃油車在寒冷環(huán)境中行駛前需要“熱車”一樣，燃料電池車在溫度零下的環(huán)境中也需要進(jìn)行額外的低溫冷啟動(dòng)流程，來保證性能的穩(wěn)定。
燃料電池低溫冷啟動(dòng)是指燃料電池汽車可在0℃以下的溫度中成功啟動(dòng)，并可將燃料電池內(nèi)部溫度迅速提升至能滿足系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的70~80℃。
燃料電池在零下溫度啟動(dòng)的過程中，反應(yīng)生成的水會(huì)在燃料電池內(nèi)部結(jié)冰，造成燃料電池?zé)o法正常啟動(dòng)或性能下降。
當(dāng)燃料電池在低溫下開始工作時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)部的冰融化，如果產(chǎn)生的熱量不足，產(chǎn)生的水就會(huì)迅速結(jié)冰。
東方電氣(成都)氫燃料電池科技有限公司相關(guān)技術(shù)人員曾表示，低溫環(huán)境下提升燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)速度、運(yùn)行性能，是提高燃料電池系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性和用戶體驗(yàn)感的關(guān)鍵。
燃料電池在低溫環(huán)境下如何實(shí)現(xiàn)無損儲(chǔ)存和啟動(dòng)，也是影響燃料電池汽車在寒冷地區(qū)進(jìn)行商業(yè)化推廣的重要因素。因此，耐受低溫啟動(dòng)和低溫存儲(chǔ)是評(píng)估燃料電池系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性的重要指標(biāo)。
2020年9月發(fā)布的《燃料電池汽車城市群示范目標(biāo)和積分評(píng)價(jià)體系》中，明確了將-30℃的冷啟動(dòng)作為燃料電池系統(tǒng)技術(shù)的硬性門檻及關(guān)鍵指標(biāo)之一。
停機(jī)過程中燃料電池系統(tǒng)，尤其是膜電極的水含量，決定了燃料電池系統(tǒng)在低溫環(huán)境下能否重新啟動(dòng)運(yùn)行。燃料電池冷啟動(dòng)成功的另一個(gè)關(guān)鍵在于，反應(yīng)過程中系統(tǒng)溫度升高的速度能不能超過水結(jié)冰的速度。
“簡(jiǎn)單來說，低溫冷啟動(dòng)的核心是通過改變電堆操作點(diǎn)，最大化提升低溫下電堆熱效率，從而達(dá)到快速升溫跨過冰點(diǎn)的目的?！鄙虾Ｖ厮苣茉纯萍加邢薰纠鋯?dòng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人曾表示，“低溫啟動(dòng)成功的本質(zhì)，在于保證電堆溫度由零下升至0℃以前，陰極催化層的殘留水結(jié)冰及啟動(dòng)過程中的產(chǎn)水結(jié)冰不會(huì)完全堵塞氣體通道，從而反應(yīng)能持續(xù)進(jìn)行，直至電堆完成化冰?！?/span>
而在低溫條件下，燃料電池的運(yùn)行功率受到影響，往往很難在短時(shí)間內(nèi)通過自身發(fā)出的熱量完成快速升溫，這時(shí)就需要輔助性措施進(jìn)行幫助，如保持電池內(nèi)部溫度高于0℃、外部加熱、除水等。
研究表明，以下設(shè)計(jì)措施有利于燃料電池的低溫冷啟動(dòng)：
1。零部件布置和管路走向應(yīng)利于排水，避免積水。
2。傳感器是容易受到結(jié)冰影響正常工作的零部件，需要考慮采用疏水涂層，防止低溫下傳感器失效。
3。停機(jī)前對(duì)電堆、部件、管道中的殘余水進(jìn)行吹掃排出，避免結(jié)冰。
4。恒壓控制加載策略：在穩(wěn)定電壓的同時(shí)，增加自加熱功率，穩(wěn)定電壓，確保單體電壓一致性，保護(hù)其它用電設(shè)備。
5。在冷啟動(dòng)的過程中，實(shí)施過程診斷，確保冷啟動(dòng)的成功和保護(hù)部件。
6。通過引入外部熱源，對(duì)電堆、零部件以及管路進(jìn)行加熱除冰，是實(shí)現(xiàn)低溫冷啟動(dòng)的有效手段。（資料來源：汽車文摘）
當(dāng)前國(guó)內(nèi)的燃料電池汽車基本上已經(jīng)達(dá)到了在零下30攝氏度時(shí)，5分鐘內(nèi)成功啟動(dòng)的技術(shù)水平。紅旗新能源開發(fā)院動(dòng)力總成在紅旗燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)開發(fā)調(diào)試方面，取得在-30℃低溫環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)0.8℃/s快速溫升的突破性進(jìn)展。東方氫能已經(jīng)研發(fā)出燃料電池系統(tǒng)的低溫?zé)o損儲(chǔ)存、-35℃低溫快速啟動(dòng)等技術(shù)。
現(xiàn)在大多數(shù)燃料電池汽車的低溫啟動(dòng)的方法主要是加熱和保溫等輔助性措施。這種輔助性冷啟動(dòng)會(huì)增加電池系統(tǒng)的重量和體積，同時(shí)增加系統(tǒng)操作的復(fù)雜性，需要探尋無需外部力量即可進(jìn)行低溫啟動(dòng)的技術(shù)方向。
在無助低溫冷啟動(dòng)方向，新研氫能實(shí)現(xiàn)了金屬板電堆-47℃無助低溫冷啟動(dòng)和-52℃的無助低溫冷啟動(dòng)；捷氫啟源P3X燃料電池系統(tǒng)的額定功率達(dá)117kW，可在無外加熱的條件下，30秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)-30℃低溫啟動(dòng)。
即便如此，關(guān)于低溫冷啟動(dòng)的研究還是需要繼續(xù)探索，在縮短啟動(dòng)時(shí)間、降低能耗等技術(shù)上進(jìn)行升級(jí)。
有專家分析稱，實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的低溫快速冷啟動(dòng)，需要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件策略的優(yōu)化，完成減少冷卻腔容積和電堆整體的熱容、提升冷啟動(dòng)期間電堆的排水能力、縮短吹掃時(shí)間等一系列挑戰(zhàn)；還可以進(jìn)行系統(tǒng)無積水設(shè)計(jì)、電堆啟動(dòng)自加熱技術(shù)的研發(fā)等。
隨著燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、材料研發(fā)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，相信在未來可以實(shí)現(xiàn)燃料電池在低溫條件下的低能耗快速啟動(dòng)，助力解決燃料電池汽車在寒冷地帶的普及的阻礙。
為促進(jìn)燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，構(gòu)建交流與合作平臺(tái)，氫啟未來網(wǎng)將于11月在四川成都舉辦“2023年氫能汽車與燃料電池發(fā)展大會(huì)”期待您的到來！
