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引言

在最近的一次技術(shù)研討會上，燃料電池頭部企業(yè)的一位技術(shù)總監(jiān)發(fā)表演講說：現(xiàn)在公司碰到的技術(shù)難點(diǎn)問題基本上是他在學(xué)生時代碰到而未能解決的問題。所以燃料電池行業(yè)要避免像鋰電池行業(yè)發(fā)展初期一樣進(jìn)入低端重復(fù)建設(shè)問題，這包括兩個方面：第一個方面是大量公司以為了爭取國家補(bǔ)貼而發(fā)展燃料電池，幾乎沒有技術(shù)積累，低端無技術(shù)含量的重復(fù)建設(shè)；另一點(diǎn)也是格外重要的一點(diǎn)是燃料電池頭部企業(yè)為了吸引資金的注意，不斷開發(fā)新產(chǎn)品和不同應(yīng)用車型，其實(shí)只是功率和及其系統(tǒng)的相應(yīng)變化，燃料電池電堆的核心難點(diǎn)問題并沒有取得突破。

針對于此，筆者總結(jié)了目前文獻(xiàn)和工作中燃料電池尚未解決的難點(diǎn)問題，通過了解燃料電池企業(yè)在這方面的相關(guān)工作，能夠真正判斷該企業(yè)是否具有核心競爭力，是否具有發(fā)展前景，從而做出正確的投資決策。

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尚需解決的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)問題

2．1 低溫冷啟動問題

燃料電池相對于鋰電池的一大重要優(yōu)勢便是其低溫運(yùn)行特性良好。鋰電池低溫放電存在兩個問題：1）放電能力大大降低；2）放電后將產(chǎn)生不可逆的性能損壞。然而，應(yīng)該注意到，目前燃料電池最為廣泛使用的啟動方式是利用鋰電池對其內(nèi)部的循環(huán)水進(jìn)行加熱后完成啟動過程。也就是說，燃料電池需要借助鋰電池才能完成冷啟動，所以這便形成了悖論。當(dāng)然，燃料電池也還有其他的冷啟動方式，如將氫氣直接在電堆內(nèi)與空氣混合，在催化劑的作用下放出熱量加熱電堆，但該種方法具有一定的危險性且技術(shù)不成熟，尚未實(shí)際工程運(yùn)用。

2．2 電堆單片一致性問題

由于溫度，反應(yīng)氣體和電流密度等工作參數(shù)分布的影響，電堆內(nèi)單電池的工作電壓不相同。一般靠近電堆端板處的單電池性能會低于其他區(qū)域的單電池，用假電池的方法可以規(guī)避該問題，但尚未真正解決該問題，也降低了電堆的體積功率密度。

圖1 電堆中的單電池電壓分布［1］

［1］侯永平，陳鍇，蘭昊．基于循環(huán)工況的燃料電池堆電壓一致性評價．電池．51（2021）216－20．

如上是電堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的一致性問題，電堆運(yùn)行過程中也會出現(xiàn)單電池性能突然大幅波動的問題。如下圖所示，當(dāng)t＝1時，電堆正常運(yùn)行。但是當(dāng)t從1s到10s的演變過程中，電堆單片電壓突然迅速下降至0．4V以下。由于電堆在低工作電壓以下工作時，不僅會降低系統(tǒng)效率，還可能會產(chǎn)生局部熱點(diǎn)燒穿膜電極等不利現(xiàn)象，以及為了避免電堆進(jìn)入反極工況，故而一般會將電堆截止電壓設(shè)置在0．4V，這就意味著當(dāng)產(chǎn)生這種工況時電堆便只能停機(jī)，大大降低了電堆的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。然而，該種工況如何處理目前還沒有很好的解決方案。

圖2 電堆運(yùn)行中的性能大幅波動問題

2．3 長時間運(yùn)行性能下降的問題

性能顯著燃料電池的耗氫量，即運(yùn)行成本問題。燃料電池陰極運(yùn)行過程中會產(chǎn)生水，然后生成水在反擴(kuò)散的作用下擴(kuò)散至陽極。盡管陰陽極流道和擴(kuò)散層的表面都做了疏水處理，大量液態(tài)水隨著電堆的運(yùn)行而排出，但始終存在少量水積聚在電池內(nèi)部。隨著工作時間的延長，積聚在電堆內(nèi)部的水分逐漸增多，對反應(yīng)氣體的傳質(zhì)造成不利影響，從而導(dǎo)致電堆性能隨著工作時間的延長而顯著下降。如圖所示，僅運(yùn)行了3小時左右，電堆性能便產(chǎn)生了明顯的衰減，即使采用了調(diào)控進(jìn)氣流量的脈沖吹掃方式，電堆性能也呈下降的趨勢。當(dāng)然，還可以采用控制電堆溫度等措施進(jìn)行水管理，但長時間運(yùn)行性能下降的問題仍是一個關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

圖3 電堆長時間運(yùn)行過程中性能下降現(xiàn)象［2］

［2］ 李躍華． 質(zhì)子交換膜燃料電池陰極壓降規(guī)律及在故障診斷中的應(yīng)用． 清華大學(xué)2017．

2．4 壽命問題

盡管目前所有的頭部企業(yè)公司都宣稱公司產(chǎn)品的壽命能夠達(dá)到1萬小時以上，但一些公司采用加速壽命測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)際測試時間可能僅為1000小時，電池總壽命采用擬合公式推斷而出。并且實(shí)驗(yàn)臺架的壽命測試與實(shí)際運(yùn)行過程中的壽命衰減存在很大的差別，實(shí)際運(yùn)行過程中的壽命衰減一般遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)臺架測出的壽命衰減。清華大學(xué)的胡尊嚴(yán)助理教授在其博士論文中指出［3］：北京市燃料電池公交的示范運(yùn)營結(jié)果實(shí)現(xiàn)了對于高密度燃料電池系統(tǒng)的功能驗(yàn)證，實(shí)際運(yùn)營中沒有考慮10％壽命衰減的限制因素，使用壽命約為1000h。如上所述，實(shí)驗(yàn)臺架上測試的壽命衰減包含了諸多前提條件，這些前提條件是用戶在使用燃料電池產(chǎn)品中難以考慮的。故而，燃料電池的壽命問題其實(shí)并未攻克，仍是關(guān)鍵難點(diǎn)技術(shù)問題。

［3］ 胡尊嚴(yán)． 車用燃料電池系統(tǒng)耐久性建模與狀態(tài)估計研究． 清華大學(xué)2019．

另外，燃料電池的存在電壓不一致的問題。電壓不一致的問題也是評判電池壽命的一大難題。當(dāng)一片電池在額定功率點(diǎn)工作時的電壓已經(jīng)低于0．4V，而其他電池工作電壓均高于0．4V，這個電池是否報廢？如果不報廢，重新更換一片單電池，避免拆裝過程中導(dǎo)致的電堆性能損失也是一個關(guān)鍵的工程難點(diǎn)問題。

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結(jié)語

今年，各地高溫榜不斷更新，表明溫室效應(yīng)對地球環(huán)境的影響日益加劇，碳減排刻不容緩。在此背景下，燃料電池作為一種高效無污染的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備得到了國家的高度重視和廣泛發(fā)展。目前燃料電池頭部企業(yè)已經(jīng)解決了燃料電池能用的問題，故而解決燃料電池發(fā)展過程中的關(guān)鍵難點(diǎn)問題，解決燃料電池能否用的好的問題，是燃料電池企業(yè)打造自身核心競爭力，促進(jìn)燃料電池行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵所在。

       原文標(biāo)題 : 不走鋰電低端重復(fù)建設(shè)老路！燃料電池行業(yè)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題