摘要：低溫冷啟動(dòng)是影響燃料電池汽車商業(yè)化的主要因素之一，是指燃料電池汽車可在0℃以下的溫度中成功啟動(dòng)，并可將燃料電池內(nèi)部溫度迅速提升至70~80℃以滿足正常運(yùn)行的性能。本文從阻礙PEMFC低溫冷啟動(dòng)的原因和過(guò)程著手，闡述了兩種主要解決方法。

　　燃料電池在無(wú)特殊處理或輔助工具的情況中，在低于0℃的工作環(huán)境下，陰極側(cè)反應(yīng)生成的水易結(jié)冰導(dǎo)致催化層、擴(kuò)散層堵塞，阻礙反應(yīng)的進(jìn)行，并且水結(jié)冰產(chǎn)生的體積變化也會(huì)對(duì)膜電極組件的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，降低燃料電池性能。

　　啟動(dòng)的反應(yīng)熱量不足是外部低溫凍結(jié)膜電極的主因

　　燃料電池在常溫狀態(tài)工作時(shí)，內(nèi)部陰極側(cè)H+和通入的O2反應(yīng)生成水，水以氣態(tài)或液態(tài)通過(guò)對(duì)流完成從催化層至擴(kuò)散層，再到陰極流道的交換排出。

　　當(dāng)外部溫度在0℃以下時(shí)，若燃料電池啟動(dòng)時(shí)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量足以支撐水以氣態(tài)或液態(tài)排出，則隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溫度會(huì)逐漸升至正常的工作溫度(70~80℃);若不足以支撐水以氣態(tài)或液態(tài)排出，則會(huì)結(jié)成冰阻礙反應(yīng)氣體的通過(guò)、凍結(jié)膜電極，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)的中止，還有可能對(duì)膜電極造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。

　　低溫冷啟動(dòng)是催化層反應(yīng)溫度抵御外部低溫的過(guò)程

　　燃料電池的冷啟動(dòng)可以分為水的生成、飽和、結(jié)冰和融化階段。生成的冰逐漸從陰極流道通過(guò)擴(kuò)散層向催化劑過(guò)度，而電池反應(yīng)產(chǎn)生的溫度從反向傳播，兩種溫度的抗衡決定最終啟動(dòng)成功與否。該過(guò)程具體分為四個(gè)階段：

　　(1)電化學(xué)反應(yīng)的初始階段水量較少，反應(yīng)熱量供應(yīng)充足。燃料電池開始啟動(dòng)，隨著反應(yīng)氣體的通入，電池陰極催化層開始有水生成，使氣體中的水蒸氣密度上升，直至飽和，該過(guò)程催化層反應(yīng)產(chǎn)生的溫度充足，不足以結(jié)冰。

　　(2)隨著催化層水汽量增加，反應(yīng)供熱開始和外部溫度相抗衡。陰極水蒸氣達(dá)到飽和后，繼續(xù)產(chǎn)生的水會(huì)在催化層中結(jié)冰沉淀，同時(shí)催化層中反應(yīng)放出的熱量會(huì)對(duì)電池進(jìn)行加熱抵御結(jié)冰。

　　(3)溫度擴(kuò)散至擴(kuò)散層和陰極流道，使外部冰渣融化，電堆成功啟動(dòng)。隨著催化層溫度的上升，抵御外部結(jié)冰能力增強(qiáng)，溫度從內(nèi)向外擴(kuò)散，直至燃料電池整體溫度變高。

　　利用氫氧直接反應(yīng)產(chǎn)熱是車用冷啟動(dòng)的應(yīng)用主流

　　目前解決燃料電池汽車低溫冷啟動(dòng)主要有加熱、通入熱空氣、冷卻水循環(huán)加熱、變阻加熱、氫氧反應(yīng)加熱和氣體吹掃等方法。其中，加熱、通入熱空氣和冷卻水循環(huán)加熱等方法附帶的輔助系統(tǒng)質(zhì)量體積較大，不適合車用;而氫氧反應(yīng)加熱、氫泵加熱、氣體吹掃等方法，由于其原理是在啟動(dòng)時(shí)臨時(shí)改變內(nèi)部反應(yīng)環(huán)境，外帶設(shè)備較少，是國(guó)內(nèi)研究應(yīng)用的熱點(diǎn)。

　　(1)氫氧反應(yīng)加熱法不增加輔助設(shè)備，利用H2和O2在電極陽(yáng)極或陰極一側(cè)直接接觸反應(yīng)，迅速提高電池溫度。其是將一定比例的氫氧混合氣體通入燃料電池的陰極或陽(yáng)極，利用氫氣在膜電極催化層上的氧化釋放熱量，達(dá)到快速提高燃料電池溫度的目的。該方法操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用過(guò)程中僅需在啟動(dòng)時(shí)控制混合氣體的流量，即可實(shí)現(xiàn)燃料電池的快速升溫，不增加任何輔助設(shè)備;成本較低，僅利用自身燃料提供反應(yīng);啟動(dòng)速度快，H2和O2之間無(wú)質(zhì)子交換膜阻隔，直接反應(yīng)劇烈，釋放熱量快;應(yīng)用效果良好，僅需在啟動(dòng)前利用自帶的膜電極增濕裝置，使膜電極保持一定水分即可應(yīng)用。大連化物所用該方法實(shí)現(xiàn)了在-20℃、-31℃、-36℃的低溫冷啟動(dòng)。

　　(2)氫泵加熱法原理與氫氧反應(yīng)加熱相同，通過(guò)外部電流作用使供氧側(cè)電極產(chǎn)生氫氣，從而直接反應(yīng)產(chǎn)生熱量。其是將直流電源(汽車自帶蓄電池或電容)與燃料電池串聯(lián)，在中間加入可變的電阻以控制電流，在通電后使膜電極陰陽(yáng)兩極交換，在陰極側(cè)(原)產(chǎn)生H2，從而與通入的O2直接發(fā)應(yīng)，快速提高電池溫度。該方法成本低，僅需要將汽車自帶的蓄電池與燃料電池相連，并加入一塊兒可控制的變阻即可;安全性較高，該方法工作時(shí)燃料電池的升溫較均勻，對(duì)燃料電池的損害小。大連化物所用該方法實(shí)現(xiàn)了燃料電池電堆在-15℃、-20℃、-30℃溫度下的冷啟動(dòng)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　低溫冷啟動(dòng)是影響燃料電池汽車商業(yè)化的主要因素之一。冷啟動(dòng)失敗是由于電池啟動(dòng)時(shí)，反應(yīng)熱量不足以抵御外部低溫，而造成的膜電極凍結(jié)，目前國(guó)內(nèi)車用冷啟動(dòng)方法主要采用氫氧直接反應(yīng)的方式，迅速產(chǎn)生熱量，提高電池溫度。其中，氫氧反應(yīng)加熱法不增加輔助設(shè)備，需在電極某一側(cè)增加H2或O2的進(jìn)氣通道，目前該法實(shí)現(xiàn)了-15℃、-20℃、-30℃溫度下的冷啟動(dòng);氫泵加熱法需增加可變電阻，通過(guò)改變反應(yīng)堆的陰陽(yáng)極得到氫氧混合氣體，再直接反應(yīng)提高電池的溫度，目前該法實(shí)現(xiàn)了在-15℃、-20℃、-30℃溫度下的冷啟動(dòng)。