“五九”第二天,中國北方各地已經(jīng)適應了“凍徹心扉”的節(jié)奏,從黑龍江、內(nèi)蒙古、甘肅到新疆,自東向西的數(shù)個省份及自治區(qū)的最低氣溫達到了-13°C到-40°C不等。
“老司機”們都知道,在寒冷的冬天開車出行要對車輛進行適當?shù)摹盁嵘怼盎騿榆囕v后低速行駛,以確保發(fā)動機的正常工作。燃油車經(jīng)過了上百年的發(fā)展,溫度適應范圍較為寬泛,低溫性能相對較好。而對于氫燃料電池汽車而言,在低溫環(huán)境下實現(xiàn)無損啟動汽車,則成為了一道十足的技術(shù)門檻,同時它也是影響燃料電池汽車商業(yè)化的主要因素之一。
低溫冷啟動是指燃料電池汽車可在0℃以下的溫度中成功啟動并可將燃料電池內(nèi)部溫度迅速提升至70~80℃以滿足正常運行的性能。
在燃料電池系統(tǒng)內(nèi),氫氣進入氫電極(即陽極),在陽極催化劑的作用下,釋放電子形成帶正電荷的氫離子,氫離子穿過質(zhì)子交換膜(PEM)到達陰極。在陰極,催化劑使氫離子與空氣中的氧結(jié)合形成水。
燃料電池系統(tǒng)的工作原理(圖片來源:網(wǎng)絡)
氣溫一旦低于冰點,水就要結(jié)冰——這意味著,燃料電池的系統(tǒng)核心零部件電堆將直面冰凍,電堆膜電極上的催化劑及質(zhì)子交換膜一旦被冰覆蓋,燃料電池的啟動反應性能就受到直接影響。如冷凍情況嚴重,燃料電池甚至會完全無法發(fā)生反應,并造成膜電極不可恢復性的損壞。
燃料電池系統(tǒng)的電堆和各部件的匹配能否滿足低溫啟動的速度、發(fā)動機輸出特性等要求,除了各部件本身的低溫運行性能外,還需精細的控制策略。
憑借寬溫域電堆設計和低溫啟動控制技術(shù),重塑科技逐步攻克了提升低溫下膜電極容冰能力,減少冷卻腔容積及電堆整體的熱容,以及提升冷啟動期間電堆的排水能力,縮短吹掃時間等一系列挑戰(zhàn)。公司的燃料電池系統(tǒng)在-30°C、近千米海拔高度通過了高寒惡劣環(huán)境的檢驗,印證了系統(tǒng)級的控制策略、電堆的材料和工藝所具備的卓越水平,以及商用車燃料電池系統(tǒng)的高可靠性設計方法。
2020年10月21日,搭載重塑科技燃料電池系統(tǒng)的15輛10.5米氫燃料公交車在吉林白城近-30°C的氣溫條件下投入運營,成為國內(nèi)首批在超低溫環(huán)境下運營的量產(chǎn)燃料電池公交車。
自2020 年起投入運營,白城燃料電池公交車經(jīng)受住了零下 30℃極寒狀態(tài)下如常啟動的考驗
從全球范圍來看,氫燃料電池的冷啟動技術(shù)得到了學術(shù)界、政府和行業(yè)的高度重視。無論北美、歐洲和亞洲,各國政府都在近十余年中陸續(xù)制定了相應的國家及行業(yè)標準。
以美國為例,早在2005年,美國能源部(The U.S. Department of Energy,簡稱DOE)就制定了第一個車用燃料電池低溫冷啟動目標,即于2010年實現(xiàn)在30秒內(nèi)、-20℃的冷啟動,并達到90%的額定功率 1。在歷經(jīng)多次修訂之后,美國能源部要求至2020年實現(xiàn)在30秒內(nèi)、-20℃條件下快速啟動的基礎上,增加了-30℃無輔助啟動和-40℃輔助啟動的功能要求 2。
基于政策規(guī)定、行業(yè)發(fā)展等情況,全球各大氫燃料電池技術(shù)供應商和汽車企業(yè)在過去長時間里對冷啟動技術(shù)進行了深度的探索和研究,并取得了長足的進展,如搭載巴拉德燃料電池系統(tǒng)的公交車可以在北歐多個城市的極寒氣候下順暢運行,打造出多個-30°C冷啟動的出色案例;豐田汽車于2017年公布了其氫燃料電池車“未來”(Mirai)在-18°C啟動時取得的卓越的表現(xiàn) 3;現(xiàn)代汽車于2018年在瑞典北部小鎮(zhèn) Arjeplog進行了NEXO燃料電池電動汽車的冬季測試。憑借節(jié)能加熱和通風技術(shù),NEXO所搭載的燃料電池系統(tǒng)Kona電堆實現(xiàn)了-29°C的冷啟動 4。
2020年9月16日,中國財政部、工業(yè)和信息化部、科技部、發(fā)展改革委和國家能源局公布了《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應用的通知》,并在《燃料電池汽車城市群示范目標和積分評價體系》中明確了將-30℃的冷啟動作為燃料電池系統(tǒng)技術(shù)的硬性門檻及關(guān)鍵指標之一 5。
在過去數(shù)年中,重塑科技研發(fā)中心工程師團隊從滿足客戶需求及實際應用場景角度進行了一系列低溫冷啟動的正向開發(fā),通過持續(xù)驗證提出眾多創(chuàng)新性的解決方案,積極探索冷啟動應用策略。在一次又一次的試驗數(shù)據(jù)中分析總結(jié)提出新的冷啟動方案、持續(xù)優(yōu)化冷啟動性能。同時,研發(fā)團隊還要考慮如何保證電堆性能表現(xiàn),以及盡可能降低低溫損傷。
搭載重塑科技燃料電池系統(tǒng)的燃料電池汽車通過了零下約30攝氏度、近千米海拔高的高寒惡劣環(huán)境檢驗
“簡單來說,低溫冷啟動的核心是通過改變電堆操作點,最大化提升低溫下電堆熱效率,從而達到快速升溫跨過冰點的目的?!敝厮芸萍祭鋯禹椖控撠熑吮硎荆暗蜏貑映晒Φ谋举|(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)冰及啟動過程中的產(chǎn)水結(jié)冰不會完全堵塞氣體通道,從而反應能持續(xù)進行,直至電堆完成化冰?!?/p>
重塑科技研發(fā)團隊成員以嚴謹高效、循序漸進的研發(fā)工作對冷啟動技術(shù)進行了多個階段的研究,最初通過試驗確定-15°C~-20°C已經(jīng)能夠滿足大部分氫燃料電池汽車的應用場景,繼而首先進行-15°C條件下的冷啟動電堆設計和功能開發(fā)。隨后,在此基礎上通過不同的寬溫域電堆設計方案和低溫啟動控制策略,實現(xiàn)了在-30°C條件下,3分鐘內(nèi)完成從啟動到達半載(即額定功率的50%)狀態(tài)。
成功完成了千余次的低溫啟動試驗,面向高寒環(huán)境的低溫無損冷啟動技術(shù)目前是支持重塑科技燃料電池系統(tǒng)長壽命的重要基石,也成就了重塑科技聯(lián)合上海交通大學、同濟大學、宇通客車、一汽集團、東風汽車5家單位共同完成“長壽命商用車燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”項目,并榮膺2020年“中國汽車工業(yè)科學技術(shù)獎”一等獎。
重塑科技相信,科技每向前?小步,都在激發(fā)著氫能的巨大潛?,將地球給予人類取之不盡的氫能資源,轉(zhuǎn)化為氫電出行的驅(qū)動力,并沁入人們生活的日常點滴。憑借著在科技創(chuàng)新方面孜孜不倦的追求、深耕細作、國際領(lǐng)先的技術(shù)工藝,持續(xù)不斷的研發(fā)投入以及所擁有的核心自主知識產(chǎn)權(quán),重塑科技于2021年作為氫燃料電池行業(yè)唯一一家企業(yè),榮膺國家工信部第六批制造業(yè)單項冠軍榮譽稱號。
備注:參考文件/資料
1.https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/progress05/vii_h_9_pesaran.pdf
2.https://www.energy.gov/eere/fuelcells/doe-technical-targets-fuel-cell-systems-and-stacks-transportation-applications
3.https://publications.anl.gov/anlpubs/2018/06/144774.pdf
4.https://www.hyundai.news/eu/models/electrified/nexo/press-kit/all-new-hyundai-nexo-driving-performance.html
5.http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-10/22/content_5553246.htm