鉅大LARGE | 點擊量：310次 | 2024年01月12日
為何說低溫冷啟動是影響燃料動力鋰電池汽車商業(yè)化的因素之一呢？
最近討論燃料動力電池汽車的話題比較火熱，燃料動力電池汽車具有市場空間大、技術(shù)地位高、加氫時間短、續(xù)航高、污染低等優(yōu)勢。
但目前燃料動力電池汽車處于產(chǎn)業(yè)萌芽期，在基礎設施、成本、儲存運輸、技術(shù)方面仍存在一些阻礙，導致氫燃料動力電池汽車價格一直居高不下。
下面我們來分析一下燃料動力電池汽車發(fā)展在技術(shù)方面遇到的問題，為何氫燃料動力電池汽車在低溫冷啟動會受影響？
前段時間試駕了一輛中通燃料動力電池汽車，在了解該車整體性能的時候發(fā)現(xiàn)一個比較有意思的情況。
中通氫燃料物流車的燃料動力電池發(fā)動機銘牌上面寫著環(huán)境溫度為2℃-50℃，意思是指該燃料動力電池發(fā)動機只能在這個環(huán)境溫度范圍內(nèi)工作。
假如燃料動力電池在持續(xù)低溫或者高溫的情況下工作，可能會存在安全風險。
那么按照這種情況可以預測到的是，該款氫燃料動力電池汽車在北方比較寒冷的地區(qū)使用會受到一定限制。
雖然隨著技術(shù)的進步，目前低溫和高溫的工作環(huán)境已經(jīng)可以通過新增加熱模塊和散熱系統(tǒng)解決，但是燃料動力電池汽車在低溫冷啟動還是受到一定程度的影響，啟動要比較長的時間。
那么是不是只有這款車才會有這樣的問題呢？很顯然不是，低溫冷啟動耗時長是目前燃料動力電池汽車面對的技術(shù)難題之一。
No2：低溫冷啟動與燃料動力電池的結(jié)構(gòu)有關(guān)
燃料動力電池汽車結(jié)構(gòu)重要有驅(qū)動電機、動力鋰電池、燃料動力電池系統(tǒng)、整車控制器等組成，其中燃料動力電池系統(tǒng)的重要功能是將氫氣通過電化學反應轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芙o動力鋰電池充電以及驅(qū)動電機供電，可以說是燃料動力電池汽車非常重要的組成部分。
燃料動力電池汽車基本結(jié)構(gòu)
常用的燃料動力電池按其電解質(zhì)不同，可以分為質(zhì)子交換膜燃料動力電池（PEMFC）、固體氧化物燃料動力電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料動力電池（MCFC）、磷酸燃料動力電池（PAFC）和堿性燃料動力電池（AFC）。不同類型的燃料動力電池用途也不相同，各有優(yōu)缺點。
氫-空型質(zhì)子交換膜燃料動力電池
中通氫燃料物流車電池采用的就是氫-空型質(zhì)子交換膜燃料動力電池。
目前市場上大部分燃料動力電池汽車采用的都是質(zhì)子交換膜燃料動力電池，質(zhì)子交換膜燃料動力電池（PEMFC）具有多種性能優(yōu)勢，包括電池操作溫度低（＜100℃）、啟動速度快等；同時，其廣泛運用于交通及移動領域，因此質(zhì)子交換膜燃料動力電池的全球出貨量占據(jù)主導地位。
但質(zhì)子交換膜燃料動力電池（PEMFC）汽車在低溫環(huán)境下運行也有一個比較大的弊端，那就是冷啟動耗費的時間比較長。
No3：低溫降低燃料動力電池性能，導致冷啟動困難，與國外還有較大差距
低溫冷啟動是指燃料動力電池汽車可在0℃以下的溫度中成功啟動，并可將燃料動力電池內(nèi)部溫度迅速提升至70~80℃以滿足正常運行的性能。
燃料動力電池在常溫狀態(tài)工作時，內(nèi)部陰極側(cè)H+和通入的O?反應生成水，水以氣態(tài)或液態(tài)通過相應的管道排出。
在無特殊保護并在0℃的工作環(huán)境下，燃料動力電池電化學反應生成的水易結(jié)冰導致催化層、擴散層堵塞，阻礙電化學反應的進行，并且水結(jié)冰出現(xiàn)的體積變化也會對燃料動力電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞，導致燃料動力電池反應性能降低。
2014年，國外的一家測試公司對日本豐田生產(chǎn)的燃料動力電池汽車Mirai做過一項冷啟動實驗。將一臺豐田Mirai停放在室外一個晚上（17個小時），室外的溫度從車輛停止時的-20℃下降到啟動時的-30℃，工作人員啟動車輛，車輛啟動35秒功率為60%，車輛啟動70秒功率達100%。
這是一個什么概念，我們來比較一下國內(nèi)，2019年一月二十八日國家電動客車電控與安全工程技術(shù)研究中心對宇通FCEB燃料動力電池客車進行-30℃低溫環(huán)境的冷啟動實驗，宇通客車在燃料動力電池研發(fā)領域算是起步比較早的公司。
實驗的流程是車輛在-30℃環(huán)境中持續(xù)冷凍20小時以上，期間每隔一段時間車輛上電采集燃料動力電池和動力鋰電池溫度，記錄二者溫降曲線，評估電池艙保暖措施效果；當記錄到燃料動力電池溫度-20℃、動力鋰電池溫度-25℃時判斷冷凍停止。
FCEB-30℃低溫啟動過程數(shù)據(jù)記錄
實驗的相關(guān)結(jié)論如下：
（1）燃料動力電池在-30℃環(huán)境中冷凍超過20小時后，能夠在15分鐘內(nèi)成功啟動；
（2）車載氫系統(tǒng)在-30℃環(huán)境中冷凍超過20小時后，所有管路連接處均無泄漏。
No4：低溫冷啟動影響使用壽命，難以分攤其高昂購車成本
在環(huán)境溫度較低下運行時，燃料動力電池出現(xiàn)的水在低溫下很容易發(fā)生凍結(jié)導致電池無法運行或運行很短時間就被迫停機，而反復啟動可能會破壞電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，繼而嚴重影響電池的使用壽命。
在氫燃料動力電池汽車研發(fā)領域，日本車企和韓國車企走在前列，并在乘用車實現(xiàn)了氫燃料動力電池汽車的量產(chǎn)，國內(nèi)產(chǎn)出的氫燃料動力電池車目前仍以客車和專用車為主。
根據(jù)美國能源局公布的數(shù)據(jù)顯示，到2020年燃料動力電池系統(tǒng)要達到的壽命目標為5000小時。在空氣純度質(zhì)量較高的情況下，日本豐田公司已成功測試其燃料動力電池電堆壽命達到10,000小時。
回到國內(nèi)，目前車用燃料動力電池系統(tǒng)壽命普遍在1000-2500小時左右，根據(jù)網(wǎng)絡可查詢的信息，2018年上汽技術(shù)團隊已經(jīng)攻克了燃料動力電池壽命難關(guān)，耐久性首次突破5000小時。
與此同時，我國燃料動力電池系統(tǒng)的成本約為1-1.5萬元/kW；關(guān)于一輛燃料動力電池功率為30kW的車，其燃料動力電池系統(tǒng)成本就高達30-45萬元，全車造價近百萬。
國內(nèi)燃料動力電池實際使用壽命難以分攤其高昂的成本，2019年國家對燃料動力電池汽車的補貼還未正式公布，現(xiàn)實行過渡期的補貼按2018年對應標準的0.8倍，根據(jù)車型的不同，最高拿到40萬元補貼。
No5：目前解決冷啟動的主流應用
目前解決燃料動力電池汽車低溫冷啟動重要方法是改變?nèi)剂蟿恿﹄姵貎?nèi)部環(huán)境溫度，從而達到快速啟動的目的。方法有加熱、通入熱空氣、冷卻水循環(huán)加熱、變阻加熱、氫氧反應加熱和氣體吹掃等。
其中，加熱、通入熱空氣和冷卻水循環(huán)加熱等方法附帶的輔助系統(tǒng)質(zhì)量體積較大，不適合車用；而氫氧反應加熱、氫泵加熱、氣體吹掃等方法，由于其原理是在啟動時臨時改變內(nèi)部反應環(huán)境，外帶設備較少，是國內(nèi)研究應用的熱點。
（1）氫氧反應加熱法不新增輔助設備，利用H?和O?在電極陽極或陰極一側(cè)直接接觸反應，迅速提高電池溫度；
（2）氫泵加熱法原理與氫氧反應加熱相同，通過外部電流用途使供氧側(cè)電極出現(xiàn)氫氣，從而直接反應出現(xiàn)熱量。
