重塑能源專利解讀：燃料電池低溫無損冷啟動發明專利

深入探索重塑能源的知識產權庫，不斷發現創新與提升帶來的價值。本期專利解讀，重塑能源將聚焦一項實現燃料電池低溫無損冷啟動的發明專利：

本發明提供的燃料電池低溫無輔熱冷啟動方法，通過欠氣和非欠氣的循環啟動方式，在加熱燃料電池的同時，使得燃料電池內部產生的水，在尚未結晶或聚集之前被排出燃料電池，進而避免燃料電池內部聚集大量水導致的水淹現象，同時利用間歇式欠氣方式啟動燃料電池，相對于輔熱啟動方式，節省能源和成本。

對話本專利的主要發明人，帶大家深入淺出地了解這一專利：

Q1

首先，能否簡單介紹一下做燃料電池低溫冷啟動發明研究背后的技術因素？

A1

燃料電池運行過程中，內部會不斷產生水分，當系統停止運行時，會有部分水分附著在膜電極和氫氣循環泵內，當外界溫度低于水的結冰點時，膜電極和氫氣循環泵轉子會出現結冰的現象，再次啟動燃料電池系統時，膜電極中由于存在結冰水會影響氫離子的流動，進而導致膜電極反應緩慢，同時還可能由于氫氣循環泵轉子卡死導致系統無法啟動。因此，一方面低溫啟動不當可能會對整個燃料電池系統造成不可逆的損傷；另一方面，在實際應用中，燃料電池汽車快速啟動的需求，與燃料電池在低溫情況下啟動緩慢的現象產生了矛盾。

Q2

行業目前主要有哪些應對低溫冷啟動的方法？解決這一問題的價值有多大？

A2

目前行業里較為普遍采用的是輔助加熱方式實現低溫啟動的方法，即通過外部加熱器先對電堆及管路零部件進行加熱，等水溫上升后再啟動燃料電池系統。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，會導致成本增加。

另一種業內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，進而增加燃料電池內部的熱能，實現加熱以及低溫啟動的目的。該方法使用時，雖然產熱速率足以超過水結冰的速率，不會造成冰堵，但是由于陰極流量過少，不足以將反應產生的水帶出電堆，當燃料電池系統進入正常運行初期，會由于陰極水淹現象造成電堆整體性能較差。并且拉載時若空氣過量系數控制不當，易造成局部熱點，從而導致不可逆衰減的發生。因此，實際產品應用時，業內對欠氣拉載的方法使用都比較謹慎。

如何縮短冷啟動時間和保障冷啟動后的產品性能及長期耐久性，一直以來都是燃料電池開發工程領域需要不斷探索和平衡的關鍵技術點。最佳的方案，是能實現燃料電池低溫無損冷啟動，從而提升產品環境適應性、可靠性和耐久性。

Q3

基于這項發明專利，重塑能源是如何實現低溫無損冷啟動的？

A3

為了解決現有技術中燃料電池低溫啟動時存在內部水分無法及時排出的技術難題，本發明通過欠氣和非欠氣的循環啟動方式，在加熱燃料電池的同時，使得燃料電池內部產生的水，在尚未結晶或聚集之前被排出燃料電池，進而避免燃料電池內部聚集大量水導致的水淹現象。通過在空氣子系統中設置旁通管路，用于快速精確調節陰極空氣流量，進而達到欠氣過程可控，采用間歇式欠氣閉環控制的方式啟動燃料電池，從而較好地控制了整個冷啟動過程中的電堆及單池濃差極化區間。同時，利用在冷卻系統的冷卻液排出管路上設置溫度傳感器，等同測量燃料電池內部的溫度，利于設備的安裝和調節。該方法相對于輔熱啟動方式，節省了能源和成本，并簡化了系統結構，提升低溫冷啟動效率的同時，能有效避免陰極水淹現象產生帶來的燃料電池性能、耐久損傷。

Q4

這一專利技術在重塑能源的產品及服務中應用情況和反饋如何？

A4

重塑能源應用于商用車的氫燃料電池系統技術，經中國汽車工程學會和上海市交通工程學會鑒定，已達到國際先進水平，并在系統控制、低溫無損冷啟動和耐久性方面表現出色。

該專利技術目前已普遍應用于重塑能源自主研發的大功率燃料電池系統的冷啟動策略中，通過去年冬季百臺以上車輛實車測試數據顯示，可幫助提升冷啟動時間35%以上，同時降低冷啟動過程電功耗85%以上，并且系統實車性能在冬季運行過程中無明顯衰減。