技术专题 第四期 | 寒冬里，燃料电池如何做到安心存储、顺利启动？

氢燃料电池汽车近年来受到越来越多的关注，在即将展开的大规模应用示范浪潮面前，技术层面上需要解决的问题还有很多，其中重要的一个问题就是低温环境下的储存与启动。

在低温环境下能够向整车提供稳定的功率输出是燃料电池的一大优势，但是由于工作原理决定了其在低温环境下的存储和启动存在着极大的挑战。究其本质，燃料电池低温储存和启动就是要解决极端条件下的水、热管理问题，即如何避免电池反应产生的水结冰造成电极的损伤，同时还要增大电池的产热速率使其快速升温，保证电解质充分润湿维持高效的质子传输和功率输出^[1,2,3]。

一个完整的低温环境运行过程包括低温运行、停机吹扫、低温存储与低温启动四个阶段，其中停机吹扫与低温启动策略对燃料电池在低温环境下运行至关重要。

柏拉图说过：“好的开始是成功的一半”，对于燃料电池低温启动而言，一个好的开始始于停机吹扫。燃料电池运行过程中会产生大量的水，在极寒条件下存储时这些水会因低温冻结而破坏膜电极（MEA）结构。停机吹扫的目的一方面是将流道和MEA内的自由水移除以防止其在低温条件下冻结，另一方面是降低质子交换膜以及催化层中的水含量，为在后续启动过程中产生的液态水提供存储空间。但要注意停机吹扫应该适度，正如中国传统文化中讲求的阴阳平衡，对于燃料电池而言要做到干湿平衡。

通过多年的技术积累，新源动力提出了采用内阻监测+电压监测+水含量预测的方式多维度实时监测吹扫过程中电堆内部水的移除过程，精准掌握电堆状态。如图1所示为吹扫过程中电堆电压值与阻抗值随吹扫时间的变化曲线。

 图1 吹扫过程电压和阻抗变化

图1中的吹扫第一阶段（0-t₁）：电堆阻抗值与电压值相对稳定，此过程主要是移除流道内的大量反应生成水以及MEA内的自由水；第二阶段(t₁-t₂)：电堆阻抗值快速升高的同时电压快速下降，此过程中吹扫气体将MEA内的水大量移除致使其阻抗值快速升高，受欧姆极化的影响电压随之下降；第三阶段(t₂- t₃)：电堆阻抗值与电压值再次稳定，此过程中电堆内部反应生成的水与吹扫气体所携带走的水达到动态平衡，电压值与阻抗值趋于稳定。在吹扫过程中通过对吹扫压力、温度和载荷的实时控制实现液态水和气态水的快速移除，确保达到所需吹扫状态的同时将辅助功耗控制在最低水平。

    与常温启动相比，在0℃以下进行低温启动时对水和热的控制要求更高。燃料电池的正常运行需要源源不断的从流道向催化层供应燃料和氧化剂，需要水作为质子传输的介质，还需要将反应生成的水及时经流道排出电池。而在低温条件下反应生成的游离态水会在催化层、扩散层甚至流道内成核结冰，阻碍气体输运通道，覆盖催化剂反应位点，导致启动失败。如图2所示为燃料电池在低温启动过程中的主要输运现象。

图2 燃料电池低温启动过程中主要输运现象示意图[4]

低温启动是水热管理的艺术。从水热管理角度分析，电池低温启动成功的关键在于催化层被冰完全覆盖前温度上升至冰点以上。在低温启动开始时，燃料和氧化剂分别通入到阳极和阴极流道内，气体通过对流和扩散作用经过扩散层和微孔层后到达催化层表面的三相界面处发生反应，反应的进行伴随着水和热的产生，在阴极侧氧气的还原反应会生成大量的水，此外，由于电渗拖拽作用，阳极侧的水会被带至阴极侧，导致阴极侧聚集大量的液态水，而质子交换膜和催化层中的离聚物可以吸收一部分反应生成的水，但离聚物会快速达到饱和状态，导致过量的水溢出而冻结，水的冻结位置一般集中在阴极催化层表面，但当水的生成速率较快时也会在扩散侧和流道内出现冻结现象。因此，为了保证低温启动的顺利进行，启动过程需要增大温升速率，降低反应生成水的结冰速率。在低温启动过程中，启动时刻膜内水含量、加载速率、加载电流、气体流量以及冷却液流量等诸多因素耦合作用，共同影响温升速率和结冰速率，决定电堆温度能否在催化层被冰完全覆盖前达到冰点以上。

为了解决低温启动的难题，新源动力采取模型预测与低温试验的双轮驱动模式对整个低温启动过程进行了系统而深入的研究。如图3所示为捕捉到的一次低温启动过程电堆阻抗值随时间的变化曲线。

图3 低温启动过程阻抗值变化

可将低温启动过程电堆阻抗值的变化概述为“三点”、“四区”、“一线”。“三点”分别指t₁时刻离聚物中水的饱和点，此时刻质子交换膜和催化层中可存储的水达到饱和；t₂时刻冰融化点，此时刻电堆内部冰的含量最高，随着电堆温度的升高，反应过程中冻结的冰开始逐渐融化；t₃时刻水平衡点，此时刻电堆温度继续升高，冻结的冰全部融化，反应生成的水与气体所携带走的水达到动态平衡。“四区”分别指离聚物储水阶段，即0- t₁区间，此区间内电堆阻抗值迅速下降，这是因为随着反应的进行阴极侧氧的还原反应生成的水被质子交换膜吸收，对其起到了润湿作用进而阻抗值快速下降；水冻结阶段，即t₁- t₂区间，此区间内质子交换膜以及阴极侧聚集的游离态水开始冻结，阻抗值随着冻结量的增大而逐渐升高；冰融化阶段，即t₂- t₃区间，此区间内由于反应的进行，电堆温度逐渐升高，冻结的冰开始融化，阻抗值逐渐降低；低温运行阶段，即t₃- t₄区间，此区间内电堆运行趋于稳定，反应生成的水与气体所携带走的水达到动态平衡，阻抗值保持在稳定区间内。“一线”指整个启动过程中的阻抗变化曲线。以上可以看出，整个低温启动过程可以通过阻抗值的变化来间接判断反应生成水的状态，而水的状态对低温启动策略的优化至关重要。

此外，低温启动对电堆材料也是一个重要的考验，低温条件下电堆的密封性、零部件的可靠性以及启动过程中冷热冲击下材料的耐用性等都对电堆提出了严苛的要求。经过多年的技术积累，新源动力研发的HYMOD®-36、HYMOD®-50和HYMOD®-60复合双极板燃料电池模块产品已实现-20℃无辅助快速低温启动，HYMOD®-70和HYMOD®-110金属双极板燃料电池模块产品已实现-30℃无辅助快速低温启动。

      新源动力二十年的发展历程中，始终将推动燃料电池产业商业化为己任，对历代产品进行了深入而广泛的研究，积累了大量低温启动层面的技术数据与经验，针对每款产品按照客户的不同需求开展低温策略研究，建立起了从短堆、长堆到系统级别的低温启动试验流程，摸索出了一套完整而有效的停机吹扫和低温启动策略，保证燃料电池汽车在寒风刺骨的冬日里存储无忧、启动无虑。

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