实现燃料电池领域电堆无辅助-39℃低温启动 骥翀氢能树立行业技术新标杆

中科创星 · 2021-01-18
骥翀氢能董事长付宇表示,MH170金属板电堆建立起了燃料电池行业的无辅助低温启动的技术标杆,实现了国际领先。

“21世纪最冷的冬天”“55年来气温最低值”“全国近9成国土冷如钻冰箱”……这个冬天,寒潮侵袭一轮又一轮。上轮寒潮中,全国降温幅度超过12℃的面积达122.7万平方公里。这两天,打开手机发现下轮寒潮又将来临,不禁令人感到“瑟瑟发抖”。

泼水成冰的气温之下,新能源汽车的“低温焦虑”再次凸现,续航里程明显下降、冷启动困难等问题导致各种“尴尬”,比如电池快速衰减导致的趴窝,比如新能源公交车上使用燃油小锅炉为空调加温。近几年发展迅速的氢燃料电池汽车也不能“幸免”:由于燃料电池在零下环境时,其反应生成物——水会因低温而冻结,造成燃料电池性能无法正常输出,导致燃料电池整车无法启动。靠动力电池放电加热、室内电源保温等都只是“权宜之计”,依靠外部辅助不仅增加系统成本,而且大大降低了使用的便利性。

MH170金属板电堆温度变化曲线图

为了打破“低温焦虑”,国内外氢燃料电池相关企业纷纷布局低温启动技术攻关,然而,自2014年丰田宣布实现-30℃低温启动后,行业内再无突破性进展。直到近日,骥翀氢能宣布顺利实现MH170金属板电堆在无辅助热源条件下-39℃成功启动,创下国内外燃料电池领域电堆无辅助低温启动纪录。

本次“创纪录”为燃料电池行业的发展注入“强心剂”。骥翀氢能董事长付宇表示,MH170金属板电堆建立起了燃料电池行业的无辅助低温启动的技术标杆,实现了国际领先。在市场方面,低温技术的提升有利于市场范围进一步扩大,不仅能够轻松覆盖中国北方极寒地区,更为日后扩展国外市场做好了铺垫。对于燃料电池行业来说,低温性能的跨越式提高意味着其与低温下续航严重缩水的锂电池的竞争合作中,又添一项优势。

低温启动是影响燃料电池商业化的重要因素

随着气候变暖不断加剧,淘汰燃油汽车、发展新能源汽车成为全球性议题。各国政府先后公布了禁售燃油车的时间计划后,我国时间表也逐渐明晰,海南一马当先,将率先于2030年禁售燃油车。这一切表明,新能源替代的步伐将越来越快。

过去几年,在新能源汽车行业,我国主要在走锂电的路线,但是锂电存在的巡航里程短、充电时间长、电池载重量小、环境适应性差、依赖电网等问题,低温环境下续航能力大幅缩减更是严重阻碍着行业的发展。

一般而言,锂离子电池的性能在接近零度时急剧下降,-20 ℃几乎不能正常工作了。低温下频繁充放电会严重恶化动力电池的寿命,并且容易导致负极析锂而带来安全隐患。但是,针对锂离子动力电池低温性能的改进措施会对其它一些技术指标比如循环性和能量密度等带来较大的负面影响,并且导致电芯成本的攀升。

在我国东北地区,电动汽车行驶续航里程最多缩减44%。如果长时间在低温环境下使用,或者在-40℃低温下时,锂离子电池可能会被“冻坏”造成永久损害。

金属板电堆MH170

燃料电池则具有弥补锂电池这一短板的潜力。据付宇介绍,燃料电池的优势是长续航、大载重、不依赖电网,恰好与锂电子电池形成互补,如果能够解决低温启动问题,将释放更大的商业潜力。

事实上,低温冷启动一直被认为是影响燃料电池汽车商业化的因素之一。“本质上是技术的市场竞争。首先是锂电池和燃料电池两种技术路线之间的竞争,低温能力里是燃料电池相较于锂电池的一个优势,低温能力越强优势越明显;其次是燃料电池行业内部石墨板与金属板两种技术路线之间的竞争,石墨板热容大,导致低温启动能力弱于金属板,所以石墨板大部分只能应用在南方;最后就是金属板本身的竞争,低温能力越强,适应的温度范围就越广,市场就越大。”付宇解释。

近两年来,除了燃料电池企业加紧低温冷启动技术的研发之外,上汽集团东风汽车、宇通客车等车企也纷纷进行燃料电池低温启动的整车实验。但是都以有辅助启动为主,仍旧无人能够在无辅助的情况下超越-30 ℃低温启动。

低温启动的核心优势:无辅助

此次,骥翀氢能超越创下国内外燃料电池领域电堆无辅助低温启动纪录并非偶然,而是源于其争当行业头部的规划和决心。成立于2018年的骥翀氢能是一家专注于自主知识产权的氢燃料电池电堆研发和产业化的科技公司,于2020年发布了自主知识产权的全国产化大功率金属板电堆MH170。

付宇表示,企业在成立、研发之初,就意识到了低温启动在商业化中的重要性,因此对MH170的设计处处考虑如何在低温启动方面实现行业突破。

当前,国内市场上大多数燃料电池汽车低温启动性能的方法主要加热和保温。这些方法中大部分属于辅助方法,但是辅助性冷启动会增加系统的体积和重量,同时会增加操作的复杂性和附加成本。

如果要解决这些问题,就要探索无辅助低温启动技术。付宇表示技术的难点在于:温度越低,燃料电池性能越低,产生的电和热越少,如何提升电堆放热,同时降低电堆升温所需要的热量?这个过程中,还要兼顾成本,并且不能影响电池寿命。“这几点综合在一起,难度很大。”

金属板电堆MH170接受低温监测

为了攻克技术难关,骥翀氢能从原材料、膜电极和双极板结构设计、启动策略三方面入手,付宇表示:“我们采用金属板路线,金属板很薄,热容比石墨板低,进而降低整个电堆的热容,更容易实现低温启动。在膜电极的结构设计上,无论是催化层还是扩散层,我们都选用了特殊结构,保证一定的容冰能力,同时在双极板的流道设计中避免冰冻堵塞。”

MH170具有极佳的低温启动优势。本次低温启动实验前后15次,电堆性能未见任何衰减。另外,与市场上的辅助低温启动产品相比,MH170的核心优势在于“无辅助”低温启动,“不需要动力电池去匹配,不需要外加热源,极大简化了系统,降低了系统的体积和成本。”付宇解释道。

市场与技术的双重突破

市场方面, MH170已经完成电堆和所匹配燃料电池系统的国标强检,按照计划将于2021年上半年正式进入市场阶段,这意味着-39℃低温启动技术将成功应用于市场,这一温度范围基本可以覆盖我国绝大部分区域,减轻使用者的“低温焦虑”,提升使用感。

付宇表示:“-39℃低温启动意味着我们的产品不仅适应南方市场,还能适应北方市场,随着“一带一路”的延伸和公司的长期发展,甚至能够进入俄罗斯、中亚等极寒市场。”

在技术方面,日本车企和韩国车企一直走在氢燃料电池汽车研发领域的前列,而MH170金属板电堆-39℃成功低温启动实现了一次国内技术的超越式发展。付宇非常肯定地表示:“这次,我们不是超越国外顶尖技术,而是为燃料电池行业树立起了低温启动的技术标杆。”

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