李飞强口中的“国际难题”,与氢燃料电池系统中一个名为“双极板”的零件有关,它是电池系统的“心脏”——电堆的组成部分之一。双极板的不同材料让氢燃料电池汽车的发展分成了两个不同技术路线:石墨板技术路线和金属板技术路线。两个技术路线各有优劣:金属板耐腐蚀性不好,寿命相对短,没法满足冬奥会后延期服役的要求,但比热容小,启动时不需要太多的热量;而石墨板虽然耐腐蚀,但是比热容大,低温条件下的快速启动困扰着国内外同行。“最早期的燃料电池甚至就不允许低温启动后的运行,因为运行过程中,氢气和氧气反应产生的水如果不能及时排出来,会在低温下结冰,对设备造成损伤。”
放眼国际,行业内的头部企业对此也没有完美的解决方案。五年前有国际同行就明确表示,其生产的产品只能在零摄氏度以上运行,如果电堆内部的温度传感器检测到曾在零摄氏度以下被使用,该车辆就不能享受质保服务。还有的国外公司采用从外部借力:通过外接电线为启动时的氢燃料电池汽车加热。然而,多出来的操作步骤,也并不能让启动所需要的时间短到尽如人意。
优化参数、设计方案、试验验证、推倒重来……赵兴旺和团队似乎陷入了无限循环。过程枯燥,但队员们也能苦中作乐。“第一次感受到喷气结冰是什么滋味儿。”赵兴旺笑着回忆,对低温环境下的技术进行验证,自然离不开低温舱。发动机在零下30摄氏度的低温舱里冷冻一夜之后,技术人员在上班后开始进行相关验证。虽然大部分的工作在低温舱外就能完成,但是遇到更换硬件、排查故障时,还是得有人进到舱里。验证开始时正值8月,一有问题,身穿短袖的队员就要第一时间套上厚厚的军大衣,帽子、手套全副武装,在炎炎夏日感受常人无法感受到的“清凉”。
3个多月过去,转眼进入到最后演练环节。时间拉回到2021年11月8日,到达崇礼的当晚,赵兴旺脑子中还在不断盘算着各种技术细节,虽然做了充足准备,但是面对这未曾有人交卷的领域,他的内心难免忐忑。9日凌晨不到5时,正是一天当中最冷的时段,赵兴旺和团队摸黑儿赶到了试验场。在进行排查时,赵兴旺发现,冷冻一夜的汽车上,氢气压力传感器的反馈信号出现了偏移,这意味着,用户无法准确掌握氢气的用量。团队紧急行动,在雪中开展了3轮测试标定,最终获得了准确的温度影响曲线,为冬奥会期间氢燃料电池汽车的零故障表现奠定了基础。
记者日前来到德胜门站,古老的灰色箭楼旁,往来穿梭的浅绿汽车倍显活力。“在冬奥会服役时,因为要腾出空间放置运动员的雪橇雪板,车上的座位没有这么多。”一踏上919快线车,北京公交集团客八分公司科技信息部副经理汪大维就打开了话匣子,他指着车辆后排的座椅接着介绍,“将这些拆除的座椅复位后,整辆车可搭载乘客50人。”这些经历冬奥考验的车辆在保持其卓越性能的同时,也从乘客出发,在各个细节上进行了升级改造:遮阳帘、刷卡机……最大的变化体现在驾驶室里:前窗一角一个圆圆的摄像头捕捉着驾驶员的一举一动,当驾驶员出现异常行为时,系统会自动报警提示并上传到管理系统,以便管理人员在后台监控。车辆正前方配备的道路预警装置能对路况进行实时研判,并为驾驶员提供驾驶指导。“这些电子设备都是第一次在公交车上启用,未来我们将视运行情况在更大范围内推广。”
场站里,开了13年公交车的驾驶员李彦斌正细细检查着车辆,为再次出发做准备。冬奥会期间,他就曾开着这款车负责延庆赛区运动员和媒体记者的接驳。“对于我们老司机来说,这车上手并不难。”有机会把车从冬奥会开回自己熟悉的工作岗位,他的语气中难掩激动,“没有噪音,起步特别平稳,视野也好。”李彦斌第一次开着这车上路就感觉到了不一样。“爬坡的时候感觉特别有劲儿。以前一进山,开到40多迈,就感觉跑不动了。现在不管是平路山路,都感觉动力源源不断。”加氢的简单操作更是减少了他的后顾之忧。“跟日常加油差不多。”李彦斌说,打开车身侧面的小盖子,插入加氢枪,15到20分钟就能把车加满。“我一天差不多跑两个来回,一次加满的氢气一天用不完。”
与上一代的“冬奥产品”相比,新一代产品不仅继承了低温快速启动的优良表现,同时被写入了更多的国产基因,并被赋予了更长久的使用寿命。“我们产品的国产化经历了‘由表及里’的过程。从整车的动力系统到燃料电池系统,再推进到电堆以及电堆的核心零部件。”李飞强说,“冬奥产品”作为公司的第二代产品,已经实现了双极板和膜电极以外的电堆组件的国产化;到了第三代,公司的目标是实现双极板和膜电极的“中国造”。
其中,质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道,使质子经过膜从阳极到达阴极,与外电路的电子转移构成回路,向外界提供电流,因此,质子交换膜性能的好坏直接影响电池的使用寿命。膜电极、碳纸、催化剂这三个零部件的作用是将燃料气体的化学能转化为电能。双极板被称为燃料电池电堆的“骨架”,主要作用是提供氢气、氧气和冷却液流体通道。如果说氢气是燃料电池的“血液”,氢气循环系统就是“强心肌”,可以保障“血液”上下流通。