重塑能源專利解讀：燃料電池低溫?zé)o損冷啟動(dòng)發(fā)明專利

深入探索重塑能源的知識(shí)產(chǎn)權(quán)庫(kù)，不斷發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新與提升帶來(lái)的價(jià)值。本期專利解讀，重塑能源將聚焦一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)燃料電池低溫?zé)o損冷啟動(dòng)的發(fā)明專利：

本發(fā)明提供的燃料電池低溫?zé)o輔熱冷啟動(dòng)方法，通過(guò)欠氣和非欠氣的循環(huán)啟動(dòng)方式，在加熱燃料電池的同時(shí)，使得燃料電池內(nèi)部產(chǎn)生的水，在尚未結(jié)晶或聚集之前被排出燃料電池，進(jìn)而避免燃料電池內(nèi)部聚集大量水導(dǎo)致的水淹現(xiàn)象，同時(shí)利用間歇式欠氣方式啟動(dòng)燃料電池，相對(duì)于輔熱啟動(dòng)方式，節(jié)省能源和成本。

對(duì)話本專利的主要發(fā)明人，帶大家深入淺出地了解這一專利：

Q1

首先，能否簡(jiǎn)單介紹一下做燃料電池低溫冷啟動(dòng)發(fā)明研究背后的技術(shù)因素？

A1

燃料電池運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)部會(huì)不斷產(chǎn)生水分，當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，會(huì)有部分水分附著在膜電極和氫氣循環(huán)泵內(nèi)，當(dāng)外界溫度低于水的結(jié)冰點(diǎn)時(shí)，膜電極和氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)子會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象，再次啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)時(shí)，膜電極中由于存在結(jié)冰水會(huì)影響氫離子的流動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致膜電極反應(yīng)緩慢，同時(shí)還可能由于氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)子卡死導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)。因此，一方面低溫啟動(dòng)不當(dāng)可能會(huì)對(duì)整個(gè)燃料電池系統(tǒng)造成不可逆的損傷；另一方面，在實(shí)際應(yīng)用中，燃料電池汽車快速啟動(dòng)的需求，與燃料電池在低溫情況下啟動(dòng)緩慢的現(xiàn)象產(chǎn)生了矛盾。

Q2

行業(yè)目前主要有哪些應(yīng)對(duì)低溫冷啟動(dòng)的方法？解決這一問(wèn)題的價(jià)值有多大？

A2

目前行業(yè)里較為普遍采用的是輔助加熱方式實(shí)現(xiàn)低溫啟動(dòng)的方法，即通過(guò)外部加熱器先對(duì)電堆及管路零部件進(jìn)行加熱，等水溫上升后再啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)。這種方法，一方面需要增加額外加熱裝置，另一方面需要增加能量輸入，會(huì)導(dǎo)致成本增加。

另一種業(yè)內(nèi)使用的方法是被稱為“陰極欠氣拉載方法”，即減少陰極通入的空氣流量，進(jìn)而增加燃料電池內(nèi)部的熱能，實(shí)現(xiàn)加熱以及低溫啟動(dòng)的目的。該方法使用時(shí)，雖然產(chǎn)熱速率足以超過(guò)水結(jié)冰的速率，不會(huì)造成冰堵，但是由于陰極流量過(guò)少，不足以將反應(yīng)產(chǎn)生的水帶出電堆，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行初期，會(huì)由于陰極水淹現(xiàn)象造成電堆整體性能較差。并且拉載時(shí)若空氣過(guò)量系數(shù)控制不當(dāng)，易造成局部熱點(diǎn)，從而導(dǎo)致不可逆衰減的發(fā)生。因此，實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)，業(yè)內(nèi)對(duì)欠氣拉載的方法使用都比較謹(jǐn)慎。

如何縮短冷啟動(dòng)時(shí)間和保障冷啟動(dòng)后的產(chǎn)品性能及長(zhǎng)期耐久性，一直以來(lái)都是燃料電池開(kāi)發(fā)工程領(lǐng)域需要不斷探索和平衡的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。最佳的方案，是能實(shí)現(xiàn)燃料電池低溫?zé)o損冷啟動(dòng)，從而提升產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性、可靠性和耐久性。

Q3

基于這項(xiàng)發(fā)明專利，重塑能源是如何實(shí)現(xiàn)低溫?zé)o損冷啟動(dòng)的？

A3

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池低溫啟動(dòng)時(shí)存在內(nèi)部水分無(wú)法及時(shí)排出的技術(shù)難題，本發(fā)明通過(guò)欠氣和非欠氣的循環(huán)啟動(dòng)方式，在加熱燃料電池的同時(shí)，使得燃料電池內(nèi)部產(chǎn)生的水，在尚未結(jié)晶或聚集之前被排出燃料電池，進(jìn)而避免燃料電池內(nèi)部聚集大量水導(dǎo)致的水淹現(xiàn)象。通過(guò)在空氣子系統(tǒng)中設(shè)置旁通管路，用于快速精確調(diào)節(jié)陰極空氣流量，進(jìn)而達(dá)到欠氣過(guò)程可控，采用間歇式欠氣閉環(huán)控制的方式啟動(dòng)燃料電池，從而較好地控制了整個(gè)冷啟動(dòng)過(guò)程中的電堆及單池濃差極化區(qū)間。同時(shí)，利用在冷卻系統(tǒng)的冷卻液排出管路上設(shè)置溫度傳感器，等同測(cè)量燃料電池內(nèi)部的溫度，利于設(shè)備的安裝和調(diào)節(jié)。該方法相對(duì)于輔熱啟動(dòng)方式，節(jié)省了能源和成本，并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升低溫冷啟動(dòng)效率的同時(shí)，能有效避免陰極水淹現(xiàn)象產(chǎn)生帶來(lái)的燃料電池性能、耐久損傷。

Q4

這一專利技術(shù)在重塑能源的產(chǎn)品及服務(wù)中應(yīng)用情況和反饋如何？

A4

重塑能源應(yīng)用于商用車的氫燃料電池系統(tǒng)技術(shù)，經(jīng)中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)和上海市交通工程學(xué)會(huì)鑒定，已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并在系統(tǒng)控制、低溫?zé)o損冷啟動(dòng)和耐久性方面表現(xiàn)出色。

該專利技術(shù)目前已普遍應(yīng)用于重塑能源自主研發(fā)的大功率燃料電池系統(tǒng)的冷啟動(dòng)策略中，通過(guò)去年冬季百臺(tái)以上車輛實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，可幫助提升冷啟動(dòng)時(shí)間35%以上，同時(shí)降低冷啟動(dòng)過(guò)程電功耗85%以上，并且系統(tǒng)實(shí)車性能在冬季運(yùn)行過(guò)程中無(wú)明顯衰減。