不走锂电低端重复建设老路！燃料电池行业需要解决的关键技术问题
不走锂电低端重复建设老路！燃料电池行业需要解决的关键技术问题
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引言
在最近的一次技术研讨会上，燃料电池头部企业的一位技术总监发表演讲说：现在公司碰到的技术难点问题基本上是他在学生时代碰到而未能解决的问题。所以燃料电池行业要避免像锂电池行业发展初期一样进入低端重复建设问题，这包括两个方面：第一个方面是大量公司以为了争取国家补贴而发展燃料电池，几乎没有技术积累，低端无技术含量的重复建设；另一点也是格外重要的一点是燃料电池头部企业为了吸引资金的注意，不断开发新产品和不同应用车型，其实只是功率和及其系统的相应变化，燃料电池电堆的核心难点问题并没有取得突破。
针对于此，笔者总结了目前文献和工作中燃料电池尚未解决的难点问题，通过了解燃料电池企业在这方面的相关工作，能够真正判断该企业是否具有核心竞争力，是否具有发展前景，从而做出正确的投资决策。
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尚需解决的关键技术难点问题
2.1 低温冷启动问题
燃料电池相对于锂电池的一大重要优势便是其低温运行特性良好。锂电池低温放电存在两个问题：1）放电能力大大降低；2）放电后将产生不可逆的性能损坏。然而，应该注意到，目前燃料电池最为广泛使用的启动方式是利用锂电池对其内部的循环水进行加热后完成启动过程。也就是说，燃料电池需要借助锂电池才能完成冷启动，所以这便形成了悖论。当然，燃料电池也还有其他的冷启动方式，如将氢气直接在电堆内与空气混合，在催化剂的作用下放出热量加热电堆，但该种方法具有一定的危险性且技术不成熟，尚未实际工程运用。
2.2 电堆单片一致性问题
由于温度，反应气体和电流密度等工作参数分布的影响，电堆内单电池的工作电压不相同。一般靠近电堆端板处的单电池性能会低于其他区域的单电池，用假电池的方法可以规避该问题，但尚未真正解决该问题，也降低了电堆的体积功率密度。
图1 电堆中的单电池电压分布[1]
[1]侯永平,陈锴,兰昊.基于循环工况的燃料电池堆电压一致性评价.电池.51(2021)216-20.
如上是电堆稳态运行时的一致性问题，电堆运行过程中也会出现单电池性能突然大幅波动的问题。如下图所示，当t=1时，电堆正常运行。但是当t从1s到10s的演变过程中，电堆单片电压突然迅速下降至0.4V以下。由于电堆在低工作电压以下工作时，不仅会降低系统效率，还可能会产生局部热点烧穿膜电极等不利现象，以及为了避免电堆进入反极工况，故而一般会将电堆截止电压设置在0.4V，这就意味着当产生这种工况时电堆便只能停机，大大降低了电堆的运行稳定性和可靠性。然而，该种工况如何处理目前还没有 很好的解决方案。
图2 电堆运行中的性能大幅波动问题
2.3 长时间运行性能下降的问题
性能显著燃料电池的耗氢量，即运行成本问题。燃料电池阴极运行过程中会产生水，然后生成水在反扩散的作用下扩散至阳极。尽管阴阳极流道和扩散层的表面都做了疏水处理，大量液态水随着电堆的运行而排出，但始终存在少量水积聚在电池内部。随着工作时间的延长，积聚在电堆内部的水分逐渐增多，对反应气体的传质造成不利影响，从而导致电堆性能随着工作时间的延长而显著下降。如图所示，仅运行了3小时左右，电堆性能便产生了明显的衰减，即使采用了调控进气流量的脉冲吹扫方式，电堆性能也呈下降的趋势。当然，还可以采用控制电堆温度等措施进行水管理，但长时间运行性能 下降的问题仍是一个关键技术难点。
图3 电堆长时间运行过程中性能下降现象[2]
[2] 李跃华. 质子交换膜燃料电池阴极压降规律及在故障诊断中的应用. 清华大学2017.
2.4 寿命问题
尽管目前所有的头部企业公司都宣称公司产品的寿命能够达到1万小时以上，但一些公司采用加速寿命测试实验，实际测试时间可能仅为1000小时，电池总寿命采用拟合公式推断而出。并且实验台架的寿命测试与实际运行过程中的寿命衰减存在很大的差别，实际运行过程中的寿命衰减一般远大于实验台架测出的寿命衰减。清华大学的胡尊严助理教授在其博士论文中指出[3]：北京市燃料电池公交的示范运营结果实现了对于高密度燃料电池系统的功能验证，实际运营中没有考虑10%寿命衰减的限制因素，使用寿命约为1000h。如上所述，实验台架上测试的寿命衰减包含了诸多前提条件，这些前提条件是用户在使用燃料电池产品中难以考虑的。故而，燃料电池的寿命问题其实并未攻克，仍是关键难点技术问题。
[3] 胡尊严. 车用燃料电池系统耐久性建模与状态估计研究. 清华大学2019.
另外，燃料电池的存在电压不一致的问题。电压不一致的问题也是评判电池寿命的一大难题。当一片电池在额定功率点工作时的电压已经低于0.4V，而其他电池工作电压均高于0.4V，这个电池是否报废？如果不报废，重新更换一片单电池，避免拆装过程中导致的电堆性能损失也是一个关键的工程难点问题。
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结语
今年，各地高温榜不断更新，表明温室效应对地球环境的影响日益加剧，碳减排刻不容缓。在此背景下，燃料电池作为一种高效无污染的能源转换设备得到了国家的高度重视和广泛发展。目前燃料电池头部企业已经解决了燃料电池能用的问题，故而解决燃料电池发展过程中的关键难点问题，解决燃料电池能否用的好的问题，是燃料电池企业打造自身核心竞争力，促进燃料电池行业进一步发展的关键所在。
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