技術專題 第四期 | 寒冬里，燃料電池如何做到安心存儲、順利啟動？

氫燃料電池汽車近年來受到越來越多的關注，在即將展開的大規模應用示范浪潮面前，技術層面上需要解決的問題還有很多，其中重要的一個問題就是低溫環境下的儲存與啟動。

在低溫環境下能夠向整車提供穩定的功率輸出是燃料電池的一大優勢，但是由于工作原理決定了其在低溫環境下的存儲和啟動存在著極大的挑戰。究其本質，燃料電池低溫儲存和啟動就是要解決極端條件下的水、熱管理問題，即如何避免電池反應產生的水結冰造成電極的損傷，同時還要增大電池的產熱速率使其快速升溫，保證電解質充分潤濕維持高效的質子傳輸和功率輸出^[1,2,3]。

一個完整的低溫環境運行過程包括低溫運行、停機吹掃、低溫存儲與低溫啟動四個階段，其中停機吹掃與低溫啟動策略對燃料電池在低溫環境下運行至關重要。

柏拉圖說過：“好的開始是成功的一半”，對于燃料電池低溫啟動而言，一個好的開始始于停機吹掃。燃料電池運行過程中會產生大量的水，在極寒條件下存儲時這些水會因低溫凍結而破壞膜電極（MEA）結構。停機吹掃的目的一方面是將流道和MEA內的自由水移除以防止其在低溫條件下凍結，另一方面是降低質子交換膜以及催化層中的水含量，為在后續啟動過程中產生的液態水提供存儲空間。但要注意停機吹掃應該適度，正如中國傳統文化中講求的陰陽平衡，對于燃料電池而言要做到干濕平衡。

通過多年的技術積累，新源動力提出了采用內阻監測+電壓監測+水含量預測的方式多維度實時監測吹掃過程中電堆內部水的移除過程，精準掌握電堆狀態。如圖1所示為吹掃過程中電堆電壓值與阻抗值隨吹掃時間的變化曲線。

 圖1 吹掃過程電壓和阻抗變化

圖1中的吹掃第一階段（0-t₁）：電堆阻抗值與電壓值相對穩定，此過程主要是移除流道內的大量反應生成水以及MEA內的自由水；第二階段(t₁-t₂)：電堆阻抗值快速升高的同時電壓快速下降，此過程中吹掃氣體將MEA內的水大量移除致使其阻抗值快速升高，受歐姆極化的影響電壓隨之下降；第三階段(t₂- t₃)：電堆阻抗值與電壓值再次穩定，此過程中電堆內部反應生成的水與吹掃氣體所攜帶走的水達到動態平衡，電壓值與阻抗值趨于穩定。在吹掃過程中通過對吹掃壓力、溫度和載荷的實時控制實現液態水和氣態水的快速移除，確保達到所需吹掃狀態的同時將輔助功耗控制在最低水平。

    與常溫啟動相比，在0℃以下進行低溫啟動時對水和熱的控制要求更高。燃料電池的正常運行需要源源不斷的從流道向催化層供應燃料和氧化劑，需要水作為質子傳輸的介質，還需要將反應生成的水及時經流道排出電池。而在低溫條件下反應生成的游離態水會在催化層、擴散層甚至流道內成核結冰，阻礙氣體輸運通道，覆蓋催化劑反應位點，導致啟動失敗。如圖2所示為燃料電池在低溫啟動過程中的主要輸運現象。

圖2 燃料電池低溫啟動過程中主要輸運現象示意圖[4]

低溫啟動是水熱管理的藝術。從水熱管理角度分析，電池低溫啟動成功的關鍵在于催化層被冰完全覆蓋前溫度上升至冰點以上。在低溫啟動開始時，燃料和氧化劑分別通入到陽極和陰極流道內，氣體通過對流和擴散作用經過擴散層和微孔層后到達催化層表面的三相界面處發生反應，反應的進行伴隨著水和熱的產生，在陰極側氧氣的還原反應會生成大量的水，此外，由于電滲拖拽作用，陽極側的水會被帶至陰極側，導致陰極側聚集大量的液態水，而質子交換膜和催化層中的離聚物可以吸收一部分反應生成的水，但離聚物會快速達到飽和狀態，導致過量的水溢出而凍結，水的凍結位置一般集中在陰極催化層表面，但當水的生成速率較快時也會在擴散側和流道內出現凍結現象。因此，為了保證低溫啟動的順利進行，啟動過程需要增大溫升速率，降低反應生成水的結冰速率。在低溫啟動過程中，啟動時刻膜內水含量、加載速率、加載電流、氣體流量以及冷卻液流量等諸多因素耦合作用，共同影響溫升速率和結冰速率，決定電堆溫度能否在催化層被冰完全覆蓋前達到冰點以上。

為了解決低溫啟動的難題，新源動力采取模型預測與低溫試驗的雙輪驅動模式對整個低溫啟動過程進行了系統而深入的研究。如圖3所示為捕捉到的一次低溫啟動過程電堆阻抗值隨時間的變化曲線。

圖3 低溫啟動過程阻抗值變化

可將低溫啟動過程電堆阻抗值的變化概述為“三點”、“四區”、“一線”。“三點”分別指t₁時刻離聚物中水的飽和點，此時刻質子交換膜和催化層中可存儲的水達到飽和；t₂時刻冰融化點，此時刻電堆內部冰的含量最高，隨著電堆溫度的升高，反應過程中凍結的冰開始逐漸融化；t₃時刻水平衡點，此時刻電堆溫度繼續升高，凍結的冰全部融化，反應生成的水與氣體所攜帶走的水達到動態平衡。“四區”分別指離聚物儲水階段，即0- t₁區間，此區間內電堆阻抗值迅速下降，這是因為隨著反應的進行陰極側氧的還原反應生成的水被質子交換膜吸收，對其起到了潤濕作用進而阻抗值快速下降；水凍結階段，即t₁- t₂區間，此區間內質子交換膜以及陰極側聚集的游離態水開始凍結，阻抗值隨著凍結量的增大而逐漸升高；冰融化階段，即t₂- t₃區間，此區間內由于反應的進行，電堆溫度逐漸升高，凍結的冰開始融化，阻抗值逐漸降低；低溫運行階段，即t₃- t₄區間，此區間內電堆運行趨于穩定，反應生成的水與氣體所攜帶走的水達到動態平衡，阻抗值保持在穩定區間內。“一線”指整個啟動過程中的阻抗變化曲線。以上可以看出，整個低溫啟動過程可以通過阻抗值的變化來間接判斷反應生成水的狀態，而水的狀態對低溫啟動策略的優化至關重要。

此外，低溫啟動對電堆材料也是一個重要的考驗，低溫條件下電堆的密封性、零部件的可靠性以及啟動過程中冷熱沖擊下材料的耐用性等都對電堆提出了嚴苛的要求。經過多年的技術積累，新源動力研發的HYMOD?-36、HYMOD?-50和HYMOD?-60復合雙極板燃料電池模塊產品已實現-20℃無輔助快速低溫啟動，HYMOD?-70和HYMOD?-110金屬雙極板燃料電池模塊產品已實現-30℃無輔助快速低溫啟動。

      新源動力二十年的發展歷程中，始終將推動燃料電池產業商業化為己任，對歷代產品進行了深入而廣泛的研究，積累了大量低溫啟動層面的技術數據與經驗，針對每款產品按照客戶的不同需求開展低溫策略研究，建立起了從短堆、長堆到系統級別的低溫啟動試驗流程，摸索出了一套完整而有效的停機吹掃和低溫啟動策略，保證燃料電池汽車在寒風刺骨的冬日里存儲無憂、啟動無慮。

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