重塑能源专利解读：燃料电池低温无损冷启动发明专利

深入探索重塑能源的知识产权库，不断发现创新与提升带来的价值。本期专利解读，重塑能源将聚焦一项实现燃料电池低温无损冷启动的发明专利：

本发明提供的燃料电池低温无辅热冷启动方法，通过欠气和非欠气的循环启动方式，在加热燃料电池的同时，使得燃料电池内部产生的水，在尚未结晶或聚集之前被排出燃料电池，进而避免燃料电池内部聚集大量水导致的水淹现象，同时利用间歇式欠气方式启动燃料电池，相对于辅热启动方式，节省能源和成本。

对话本专利的主要发明人，带大家深入浅出地了解这一专利：

Q1

首先，能否简单介绍一下做燃料电池低温冷启动发明研究背后的技术因素？

A1

燃料电池运行过程中，内部会不断产生水分，当系统停止运行时，会有部分水分附着在膜电极和氢气循环泵内，当外界温度低于水的结冰点时，膜电极和氢气循环泵转子会出现结冰的现象，再次启动燃料电池系统时，膜电极中由于存在结冰水会影响氢离子的流动，进而导致膜电极反应缓慢，同时还可能由于氢气循环泵转子卡死导致系统无法启动。因此，一方面低温启动不当可能会对整个燃料电池系统造成不可逆的损伤；另一方面，在实际应用中，燃料电池汽车快速启动的需求，与燃料电池在低温情况下启动缓慢的现象产生了矛盾。

Q2

行业目前主要有哪些应对低温冷启动的方法？解决这一问题的价值有多大？

A2

目前行业里较为普遍采用的是辅助加热方式实现低温启动的方法，即通过外部加热器先对电堆及管路零部件进行加热，等水温上升后再启动燃料电池系统。这种方法，一方面需要增加额外加热装置，另一方面需要增加能量输入，会导致成本增加。

另一种业内使用的方法是被称为“阴极欠气拉载方法”，即减少阴极通入的空气流量，进而增加燃料电池内部的热能，实现加热以及低温启动的目的。该方法使用时，虽然产热速率足以超过水结冰的速率，不会造成冰堵，但是由于阴极流量过少，不足以将反应产生的水带出电堆，当燃料电池系统进入正常运行初期，会由于阴极水淹现象造成电堆整体性能较差。并且拉载时若空气过量系数控制不当，易造成局部热点，从而导致不可逆衰减的发生。因此，实际产品应用时，业内对欠气拉载的方法使用都比较谨慎。

如何缩短冷启动时间和保障冷启动后的产品性能及长期耐久性，一直以来都是燃料电池开发工程领域需要不断探索和平衡的关键技术点。最佳的方案，是能实现燃料电池低温无损冷启动，从而提升产品环境适应性、可靠性和耐久性。

Q3

基于这项发明专利，重塑能源是如何实现低温无损冷启动的？

A3

为了解决现有技术中燃料电池低温启动时存在内部水分无法及时排出的技术难题，本发明通过欠气和非欠气的循环启动方式，在加热燃料电池的同时，使得燃料电池内部产生的水，在尚未结晶或聚集之前被排出燃料电池，进而避免燃料电池内部聚集大量水导致的水淹现象。通过在空气子系统中设置旁通管路，用于快速精确调节阴极空气流量，进而达到欠气过程可控，采用间歇式欠气闭环控制的方式启动燃料电池，从而较好地控制了整个冷启动过程中的电堆及单池浓差极化区间。同时，利用在冷却系统的冷却液排出管路上设置温度传感器，等同测量燃料电池内部的温度，利于设备的安装和调节。该方法相对于辅热启动方式，节省了能源和成本，并简化了系统结构，提升低温冷启动效率的同时，能有效避免阴极水淹现象产生带来的燃料电池性能、耐久损伤。

Q4

这一专利技术在重塑能源的产品及服务中应用情况和反馈如何？

A4

重塑能源应用于商用车的氢燃料电池系统技术，经中国汽车工程学会和上海市交通工程学会鉴定，已达到国际先进水平，并在系统控制、低温无损冷启动和耐久性方面表现出色。

该专利技术目前已普遍应用于重塑能源自主研发的大功率燃料电池系统的冷启动策略中，通过去年冬季百台以上车辆实车测试数据显示，可帮助提升冷启动时间35%以上，同时降低冷启动过程电功耗85%以上，并且系统实车性能在冬季运行过程中无明显衰减。