为什么说低温冷启动是影响燃料电池汽车商业化的因素之一

  • 原创
  • 2019-04-02 15:03
  • 来源:电车资源 杨丰华

摘要:最近讨论燃料电池汽车的话题比较火热,燃料电池汽车具有市场空间大、技术地位高、加氢时间短、续航高、污染低等优势。

电车资源讯:

最近讨论燃料电池汽车的话题比较火热,燃料电池汽车具有市场空间大、技术地位高、加氢时间短、续航高、污染低等优势。

但目前燃料电池汽车处于产业萌芽期,在基础设施、成本、储存运输、技术方面仍存在一些阻碍,导致氢燃料电池汽车价格一直居高不下。

下面我们来分析一下燃料电池汽车发展在技术方面遇到的问题,为什么氢燃料电池汽车在低温冷启动会受影响?

No1:低温冷启动还是影响燃料电池汽车商业化的主要因素之一

浅析|为什么说低温冷启动是影响燃料电池汽车商业化的因素之一

前段时间试驾了一辆中通燃料电池汽车,在了解该车整体性能的时候发现一个比较有意思的情况。

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中通氢燃料物流车的燃料电池发动机铭牌上面写着环境温度为2℃-50℃,意思是指该燃料电池发动机只能在这个环境温度范围内工作。

如果燃料电池在持续低温或者高温的情况下工作,可能会存在安全风险。

那么按照这种情况可以预测到的是,该款氢燃料电池汽车在北方比较寒冷的地区使用会受到一定限制。

虽然随着技术的进步,目前低温和高温的工作环境已经可以通过增加加热模块和散热系统解决,但是燃料电池汽车在低温冷启动还是受到一定程度的影响,启动需要比较长的时间。

那么是不是只有这款车才会有这样的问题呢?很显然不是,低温冷启动耗时长是目前燃料电池汽车面临的技术难题之一。

No2:低温冷启动与燃料电池的结构有关

燃料电池汽车结构主要有驱动电机、动力电池、燃料电池系统、整车控制器等组成,其中燃料电池系统的主要功能是将氢气通过电化学反应转变为电能给动力电池充电以及驱动电机供电,可以说是燃料电池汽车非常重要的组成部分。

浅析|为什么说低温冷启动是影响燃料电池汽车商业化的因素之一

燃料电池汽车基本结构

常用的燃料电池按其电解质不同,可以分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和碱性燃料电池(AFC)。不同类型的燃料电池用途也不一样,各有优缺点。

浅析|为什么说低温冷启动是影响燃料电池汽车商业化的因素之一

各类燃料电池指标及应用领域概述

浅析|为什么说低温冷启动是影响燃料电池汽车商业化的因素之一

氢-空型质子交换膜燃料电池

中通氢燃料物流车电池采用的就是氢-空型质子交换膜燃料电池。

目前市场上大部分燃料电池汽车采用的都是质子交换膜燃料电池,质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有多种性能优势,包括电池操作温度低(<100℃)、起动速度快等;同时,其广泛运用于交通及移动领域,因此质子交换膜燃料电池的全球出货量占据主导地位。

但质子交换膜燃料电池(PEMFC)汽车在低温环境下运行也有一个比较大的弊端,那就是冷启动耗费的时间比较长。

No3:低温降低燃料电池性能,导致冷启动困难,与国外还有较大差距

低温冷启动是指燃料电池汽车可在0℃以下的温度中成功起动,并可将燃料电池内部温度迅速提升至70~80℃以满足正常运行的性能。

燃料电池在常温状态工作时,内部阴极侧H+和通入的O₂反应生成水,水以气态或液态通过相应的管道排出。

在无特殊保护并在0℃的工作环境下,燃料电池电化学反应生成的水易结冰导致催化层、扩散层堵塞,阻碍电化学反应的进行,并且水结冰产生的体积变化也会对燃料电池内部结构造成破坏,导致燃料电池反应性能降低。

浅析|为什么说低温冷启动是影响燃料电池汽车商业化的因素之一 

2014年,国外的一家测试公司对日本丰田生产的燃料电池汽车Mirai做过一项冷启动实验。将一台丰田Mirai停放在室外一个晚上(17个小时),室外的温度从车辆停止时的-20℃下降到起动时的-30℃,工作人员起动车辆,车辆起动35秒功率为60%,车辆起动70秒功率达100%。

这是一个什么概念,我们来对比一下国内,2019年1月28日国家电动客车电控与安全工程技术研究中心对宇通FCEB燃料电池客车进行-30℃低温环境的冷起动实验,宇通客车在燃料电池研发领域算是起步比较早的企业。

实验的流程是车辆在-30℃环境中持续冷冻20小时以上,期间每隔一段时间车辆上电采集燃料电池和动力电池温度,记录二者温降曲线,评估电池舱保暖措施效果;当记录到燃料电池温度≤-20℃、动力电池温度≤-25℃时判断冷冻停止。

浅析|为什么说低温冷启动是影响燃料电池汽车商业化的因素之一 

浅析|为什么说低温冷启动是影响燃料电池汽车商业化的因素之一 

环境温度-30℃,燃料电池和动力电池温降曲线

浅析|为什么说低温冷启动是影响燃料电池汽车商业化的因素之一

FCEB-30℃低温起动过程数据记录

实验的相关结论如下:

(1)燃料电池在-30℃环境中冷冻超过20小时后,能够在15分钟内成功起动;

(2)车载氢系统在-30℃环境中冷冻超过20小时后,所有管路连接处均无泄漏。

No4:低温冷启动影响使用寿命,难以分摊其高昂购车成本

在环境温度较低下运行时,燃料电池产生的水在低温下很容易发生冻结导致电池无法运行或运行很短时间就被迫停机,而反复起动可能会破坏电池的内部结构,继而严重影响电池的使用寿命。

在氢燃料电池汽车研发领域,日本车企和韩国车企走在前列,并在乘用车实现了氢燃料电池汽车的量产,国内产出的氢燃料电池车目前仍以客车和专用车为主。

根据美国能源局公布的数据显示,到2020年燃料电池系统要达到的寿命目标为5000小时。在空气纯度质量较高的情况下,日本丰田公司已成功测试其燃料电池电堆寿命达到10,000小时。

回到国内,目前车用燃料电池系统寿命普遍在1000-2500小时左右,根据网络可查询的信息,2018年上汽技术团队已经攻克了燃料电池寿命难关,耐久性首次突破5000小时。

与此同时,我国燃料电池系统的成本约为1-1.5万元/kW;对于一辆燃料电池功率为30kW的车,其燃料电池系统成本就高达30-45万元,全车造价近百万。

国内燃料电池实际使用寿命难以分摊其高昂的成本,2019年国家对燃料电池汽车的补贴还未正式发布,现实行过渡期的补贴按2018年对应标准的0.8倍,根据车型的不同,最高拿到40万元补贴。

No5:目前解决冷启动的主流应用

目前解决燃料电池汽车低温冷启动主要方法是改变燃料电池内部环境温度,从而达到快速起动的目的。方法有加热、通入热空气、冷却水循环加热、变阻加热、氢氧反应加热和气体吹扫等。

其中,加热、通入热空气和冷却水循环加热等方法附带的辅助系统质量体积较大,不适合车用;而氢氧反应加热、氢泵加热、气体吹扫等方法,由于其原理是在起动时临时改变内部反应环境,外带设备较少,是国内研究应用的热点。

(1)氢氧反应加热法不增加辅助设备,利用H₂和O₂在电极阳极或阴极一侧直接接触反应,迅速提高电池温度;

(2)氢泵加热法原理与氢氧反应加热相同,通过外部电流作用使供氧侧电极产生氢气,从而直接反应产生热量。

No6:全文总结

今年3月份,上汽跃进燃料电池物流车-30°C使用工况完成验收,这是国内首款满足零下30度使用工况的燃料电池物流车,意味着在燃料电池汽车最低起动温度上,中国达到了国际先进水平。

国家近几年也在不断加大对燃料电池汽车的投入,出台相应的扶持政策;同时也有很多专家技术团队在关键技术领域里面取得新的突破,相信燃料电池汽车的大规模商用很快就会到来。

来源:电车资源 杨丰华

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