质子交换膜燃料电池冷启动研究及策略优化现状

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)汽车以其能量转换效率高、续航里程长、零排放等突出优势,在“双碳”目标的背景下引起了广泛的关注.然而,在低温环境下的冷启动问题成为限制其商业化和推广应用的一大障碍.因此,研究人员进行了大量的实验与仿真来研究燃料电池冷启动的衰减机理、水传输相变和传热机理以及启动策略优化.通过对冷启动电池的输出性能和微观结构进行测量与表征,发现由于冰的产生覆盖反应活性位点、堵塞气体通道、增大电接触阻抗导致性能下降,由于水冰相变的体积变化破坏了内部结构导致耐久性下降.通过对启动过程中水和冰的分布、传输与相变过程进行研究,发现反应产物水首先以膜态水使质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)和催化层(catalyst layer,CL)的含水量达到饱和,接着以过冷水的形式在低温下保持液态,最后排出电池或突然结冰.通过研究冷启动的传热过程发现,电堆中间部分的电池单元和单电池的中间区域升温最快,为产热的主要区域,阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)产生的不可逆反应热为主要的产热来源.基于燃料电池冷启动机理,研究人员开发了多种自启动和辅助启动策略,并进行了大量的仿真和实验验证策略的优越性.本文旨在对燃料电池冷启动的研究和策略优化进行总结,并对未来的冷启动发展方向进行展望.