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引言

在最近的一次技術研討會上，燃料電池頭部企業(yè)的一位技術總監(jiān)發(fā)表演講說：現(xiàn)在公司碰到的技術難點問題基本上是他在學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)展初期一樣進入低端重復建設問題，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貼而發(fā)展燃料電池，幾乎沒有技術積累，低端無技術含量的重復建設；另一點也是格外重要的一點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)品和不同應用車型，其實只是功率和及其系統(tǒng)的相應變化，燃料電池電堆的核心難點問題并沒有取得突破。

針對于此，筆者總結了目前文獻和工作中燃料電池尚未解決的難點問題，通過了解燃料電池企業(yè)在這方面的相關工作，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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尚需解決的關鍵技術難點問題

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不成熟，尚未實際工程運用。

2．2 電堆單片一致性問題

由于溫度，反應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)運行時的一致性問題，電堆運行過程中也會出現(xiàn)單電池性能突然大幅波動的問題。如下圖所示，當t＝1時，電堆正常運行。但是當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)生局部熱點燒穿膜電極等不利現(xiàn)象，以及為了避免電堆進入反極工況，故而一般會將電堆截止電壓設置在0．4V，這就意味著當產(chǎn)生這種工況時電堆便只能停機，大大降低了電堆的運行穩(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 電堆運行中的性能大幅波動問題

2．3 長時間運行性能下降的問題

性能顯著燃料電池的耗氫量，即運行成本問題。燃料電池陰極運行過程中會產(chǎn)生水，然后生成水在反擴散的作用下擴散至陽極。盡管陰陽極流道和擴散層的表面都做了疏水處理，大量液態(tài)水隨著電堆的運行而排出，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，對反應氣體的傳質(zhì)造成不利影響，從而導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)控進氣流量的脈沖吹掃方式，電堆性能也呈下降的趨勢。當然，還可以采用控制電堆溫度等措施進行水管理，但長時間運行性能下降的問題仍是一個關鍵技術難點。

圖3 電堆長時間運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用． 清華大學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)品的壽命能夠達到1萬小時以上，但一些公司采用加速壽命測試實驗，實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。并且實驗臺架的壽命測試與實際運行過程中的壽命衰減存在很大的差別，實際運行過程中的壽命衰減一般遠大于實驗臺架測出的壽命衰減。清華大學的胡尊嚴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營結果實現(xiàn)了對于高密度燃料電池系統(tǒng)的功能驗證，實際運營中沒有考慮10％壽命衰減的限制因素，使用壽命約為1000h。如上所述，實驗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并未攻克，仍是關鍵難點技術問題。

［3］ 胡尊嚴． 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。當一片電池在額定功率點工作時的電壓已經(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，避免拆裝過程中導致的電堆性能損失也是一個關鍵的工程難點問題。

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結語

今年，各地高溫榜不斷更新，表明溫室效應對地球環(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)展過程中的關鍵難點問題，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，促進燃料電池行業(yè)進一步發(fā)展的關鍵所在。

       原文標題 : 不走鋰電低端重復建設老路！燃料電池行業(yè)需要解決的關鍵技術問題