最近討論燃料電池汽車的話題比較火熱，燃料電池汽車具有市場(chǎng)空間大、技術(shù)地位高、加氫時(shí)間短、續(xù)航高、污染低等優(yōu)勢(shì)。

但目前燃料電池汽車處于產(chǎn)業(yè)萌芽期，在基礎(chǔ)設(shè)施、成本、儲(chǔ)存運(yùn)輸、技術(shù)方面仍存在一些阻礙，導(dǎo)致氫燃料電池汽車價(jià)格一直居高不下。

下面我們來(lái)分析一下燃料電池汽車發(fā)展在技術(shù)方面遇到的問(wèn)題，為什么氫燃料電池汽車在低溫冷啟動(dòng)會(huì)受影響？

No1：低溫冷啟動(dòng)還是影響燃料電池汽車商業(yè)化的主要因素之一

前段時(shí)間試駕了一輛中通燃料電池汽車，在了解該車整體性能的時(shí)候發(fā)現(xiàn)一個(gè)比較有意思的情況。

中通氫燃料物流車的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)銘牌上面寫著環(huán)境溫度為2℃-50℃，意思是指該燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)只能在這個(gè)環(huán)境溫度范圍內(nèi)工作。

如果燃料電池在持續(xù)低溫或者高溫的情況下工作，可能會(huì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

那么按照這種情況可以預(yù)測(cè)到的是，該款氫燃料電池汽車在北方比較寒冷的地區(qū)使用會(huì)受到一定限制。

雖然隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前低溫和高溫的工作環(huán)境已經(jīng)可以通過(guò)增加加熱模塊和散熱系統(tǒng)解決，但是燃料電池汽車在低溫冷啟動(dòng)還是受到一定程度的影響，啟動(dòng)需要比較長(zhǎng)的時(shí)間。

那么是不是只有這款車才會(huì)有這樣的問(wèn)題呢？很顯然不是，低溫冷啟動(dòng)耗時(shí)長(zhǎng)是目前燃料電池汽車面臨的技術(shù)難題之一。

No2：低溫冷啟動(dòng)與燃料電池的結(jié)構(gòu)有關(guān)

燃料電池汽車結(jié)構(gòu)主要有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、燃料電池系統(tǒng)、整車控制器等組成，其中燃料電池系統(tǒng)的主要功能是將氫氣通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芙o動(dòng)力電池充電以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，可以說(shuō)是燃料電池汽車非常重要的組成部分。

燃料電池汽車基本結(jié)構(gòu)

常用的燃料電池按其電解質(zhì)不同，可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和堿性燃料電池（AFC）。不同類型的燃料電池用途也不一樣，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

各類燃料電池指標(biāo)及應(yīng)用領(lǐng)域概述

氫-空型質(zhì)子交換膜燃料電池

中通氫燃料物流車電池采用的就是氫-空型質(zhì)子交換膜燃料電池。

目前市場(chǎng)上大部分燃料電池汽車采用的都是質(zhì)子交換膜燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有多種性能優(yōu)勢(shì)，包括電池操作溫度低（＜100℃）、起動(dòng)速度快等；同時(shí)，其廣泛運(yùn)用于交通及移動(dòng)領(lǐng)域，因此質(zhì)子交換膜燃料電池的全球出貨量占據(jù)主導(dǎo)地位。

但質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）汽車在低溫環(huán)境下運(yùn)行也有一個(gè)比較大的弊端，那就是冷啟動(dòng)耗費(fèi)的時(shí)間比較長(zhǎng)。

No3：低溫降低燃料電池性能，導(dǎo)致冷啟動(dòng)困難，與國(guó)外還有較大差距

低溫冷啟動(dòng)是指燃料電池汽車可在0℃以下的溫度中成功起動(dòng)，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(yùn)行的性能。

燃料電池在常溫狀態(tài)工作時(shí)，內(nèi)部陰極側(cè)H+和通入的O?反應(yīng)生成水，水以氣態(tài)或液態(tài)通過(guò)相應(yīng)的管道排出。

在無(wú)特殊保護(hù)并在0℃的工作環(huán)境下，燃料電池電化學(xué)反應(yīng)生成的水易結(jié)冰導(dǎo)致催化層、擴(kuò)散層堵塞，阻礙電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，并且水結(jié)冰產(chǎn)生的體積變化也會(huì)對(duì)燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞，導(dǎo)致燃料電池反應(yīng)性能降低。

2014年，國(guó)外的一家測(cè)試公司對(duì)日本豐田生產(chǎn)的燃料電池汽車Mirai做過(guò)一項(xiàng)冷啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。將一臺(tái)豐田Mirai停放在室外一個(gè)晚上（17個(gè)小時(shí)），室外的溫度從車輛停止時(shí)的-20℃下降到起動(dòng)時(shí)的-30℃，工作人員起動(dòng)車輛，車輛起動(dòng)35秒功率為60%，車輛起動(dòng)70秒功率達(dá)100%。

這是一個(gè)什么概念，我們來(lái)對(duì)比一下國(guó)內(nèi)，2019年1月28日國(guó)家電動(dòng)客車電控與安全工程技術(shù)研究中心對(duì)宇通FCEB燃料電池客車進(jìn)行-30℃低溫環(huán)境的冷起動(dòng)實(shí)驗(yàn)，宇通客車在燃料電池研發(fā)領(lǐng)域算是起步比較早的企業(yè)。

實(shí)驗(yàn)的流程是車輛在-30℃環(huán)境中持續(xù)冷凍20小時(shí)以上，期間每隔一段時(shí)間車輛上電采集燃料電池和動(dòng)力電池溫度，記錄二者溫降曲線，評(píng)估電池艙保暖措施效果；當(dāng)記錄到燃料電池溫度≤-20℃、動(dòng)力電池溫度≤-25℃時(shí)判斷冷凍停止。

環(huán)境溫度-30℃，燃料電池和動(dòng)力電池溫降曲線

FCEB-30℃低溫起動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù)記錄

實(shí)驗(yàn)的相關(guān)結(jié)論如下：

（1）燃料電池在-30℃環(huán)境中冷凍超過(guò)20小時(shí)后，能夠在15分鐘內(nèi)成功起動(dòng)；

（2）車載氫系統(tǒng)在-30℃環(huán)境中冷凍超過(guò)20小時(shí)后，所有管路連接處均無(wú)泄漏。

No4：低溫冷啟動(dòng)影響使用壽命，難以分?jǐn)偲涓甙嘿?gòu)車成本

在環(huán)境溫度較低下運(yùn)行時(shí)，燃料電池產(chǎn)生的水在低溫下很容易發(fā)生凍結(jié)導(dǎo)致電池?zé)o法運(yùn)行或運(yùn)行很短時(shí)間就被迫停機(jī)，而反復(fù)起動(dòng)可能會(huì)破壞電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，繼而嚴(yán)重影響電池的使用壽命。

在氫燃料電池汽車研發(fā)領(lǐng)域，日本車企和韓國(guó)車企走在前列，并在乘用車實(shí)現(xiàn)了氫燃料電池汽車的量產(chǎn)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)出的氫燃料電池車目前仍以客車和專用車為主。

根據(jù)美國(guó)能源局公布的數(shù)據(jù)顯示，到2020年燃料電池系統(tǒng)要達(dá)到的壽命目標(biāo)為5000小時(shí)。在空氣純度質(zhì)量較高的情況下，日本豐田公司已成功測(cè)試其燃料電池電堆壽命達(dá)到10,000小時(shí)。

回到國(guó)內(nèi)，目前車用燃料電池系統(tǒng)壽命普遍在1000-2500小時(shí)左右，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)可查詢的信息，2018年上汽技術(shù)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)攻克了燃料電池壽命難關(guān)，耐久性首次突破5000小時(shí)。

與此同時(shí)，我國(guó)燃料電池系統(tǒng)的成本約為1-1.5萬(wàn)元/kW；對(duì)于一輛燃料電池功率為30kW的車，其燃料電池系統(tǒng)成本就高達(dá)30-45萬(wàn)元，全車造價(jià)近百萬(wàn)。

國(guó)內(nèi)燃料電池實(shí)際使用壽命難以分?jǐn)偲涓甙旱某杀荆?019年國(guó)家對(duì)燃料電池汽車的補(bǔ)貼還未正式發(fā)布，現(xiàn)實(shí)行過(guò)渡期的補(bǔ)貼按2018年對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的0.8倍，根據(jù)車型的不同，最高拿到40萬(wàn)元補(bǔ)貼。

No5：目前解決冷啟動(dòng)的主流應(yīng)用

目前解決燃料電池汽車低溫冷啟動(dòng)主要方法是改變?nèi)剂想姵貎?nèi)部環(huán)境溫度，從而達(dá)到快速起動(dòng)的目的。方法有加熱、通入熱空氣、冷卻水循環(huán)加熱、變阻加熱、氫氧反應(yīng)加熱和氣體吹掃等。

其中，加熱、通入熱空氣和冷卻水循環(huán)加熱等方法附帶的輔助系統(tǒng)質(zhì)量體積較大，不適合車用；而氫氧反應(yīng)加熱、氫泵加熱、氣體吹掃等方法，由于其原理是在起動(dòng)時(shí)臨時(shí)改變內(nèi)部反應(yīng)環(huán)境，外帶設(shè)備較少，是國(guó)內(nèi)研究應(yīng)用的熱點(diǎn)。

（1）氫氧反應(yīng)加熱法不增加輔助設(shè)備，利用H?和O?在電極陽(yáng)極或陰極一側(cè)直接接觸反應(yīng)，迅速提高電池溫度；

（2）氫泵加熱法原理與氫氧反應(yīng)加熱相同，通過(guò)外部電流作用使供氧側(cè)電極產(chǎn)生氫氣，從而直接反應(yīng)產(chǎn)生熱量。

No6：全文總結(jié)

今年3月份，上汽躍進(jìn)燃料電池物流車-30°C使用工況完成驗(yàn)收，這是國(guó)內(nèi)首款滿足零下30度使用工況的燃料電池物流車，意味著在燃料電池汽車最低起動(dòng)溫度上，中國(guó)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

國(guó)家近幾年也在不斷加大對(duì)燃料電池汽車的投入，出臺(tái)相應(yīng)的扶持政策；同時(shí)也有很多專家技術(shù)團(tuán)隊(duì)在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域里面取得新的突破，相信燃料電池汽車的大規(guī)模商用很快就會(huì)到來(lái)。