质子交换膜燃料电池低温冷启动研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)汽车在低温环境中的限制主要是冷启动问题。本文以某款车用PEMFC系统为参照，使用AMEsim软件建立了仿真模型，研究PEMFC无外源低温冷启动问题，提出一个综合的低温冷启动方案，包括蓄热器辅助启动、系统分级启动、电堆分堆启动等策略，为实验研究提供了参考。仿真结果显示，在−20℃的低温环境下，PEMFC在63 s内输出功率达50%，成功冷启动，启动成功率100%，启动时间缩短了81%，显著改善了PEMFC的低温冷启动性能。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell， 简称PEMFC)是一种清洁、高效的绿色环保电源。

PEMFC 通过氢气和氧气在阳极和阴极发生反应， 将化学能直接转化为电能， 具有能量转化率高、工作噪声小、无排放等诸多优点，在汽车、固定电站、便携式发电装置、潜艇和航天飞机等领域都具有很大的应用潜力[1]。

但在PEMFC 的推广应用[2] [3] [4]中还存在一些亟待解决的难题， 其中0℃以下的低温冷启动成功率和启动速度是最主要的限制[5]。通过对冷启动过程分析发现，电堆内部水的结冰堵塞是造成冷启动困难的主要原因。水结冰，体积膨胀高达9%；电池温度达到熔点，体积恢复，反复相变会对电池及组件材料、结构造成不可逆的损伤，严重时大幅衰减电池性能和寿命[6]。

因此，汽车冷启动在近年来一直是学者们热议的话题。张新丰等人[7]利用MATLAB/Simulink 作为仿真工具，建立了混合式燃料电池汽车动力系统零下冷起动过程的仿真模型，研究不同加热功率对电堆温升能量消耗与动力电池状态变化的影响。宋泽华等[8]提出并建立了一种基于热泵和蓄热装置联合的燃料电池电动车模型，对比有无蓄热装置辅助的系统对车辆运行过程的影响，发现寒冷运行环境下蓄热装置可确保驾驶循环工况下循环冷却液热量来源的连续性。宋东方等[9]设计了在冷却液流路上安装加热器来提高燃料电池汽车的低温启动能力，模拟结果表明其通过低温舱的风洞实验表明采用预热系统后电堆能够在−25℃成功启动，并且启动电流越大，启动的时间越短。不采用外部加热系统，电堆只能在−5℃成功启动，而在−20℃下燃料电池电堆仅仅运行100s 就停止工作。

目前较为普遍的冷启动方案有电池组电加热法、冷却液电加热法、防冻液法、氢外部燃烧法、反应物饥饿法[10] [11]。而上述方案均存在“起始热源”缺乏或不足和堆内温差过大的问题，为解决该问题， 提出了一种新的水热管理方案来改善“起始热源”和控制电堆温度及温差。在改善“起始热源”方面， 提出了蓄热器辅助启动和电堆分层启动策略，在控制电堆温度及温差方面，提出了阴极气体过量和电堆系统分级启动策略，并对其进行了仿真研究。

2. 模型建立 2.1. 系统模型 图1 是PEMFC 冷启动系统模型图，该系统由氢气供应系统、空气供应系统、PEMFC 电堆系统、加热冷却系统和电路控制系统组成。

其中， 加热/冷却系统也称作温度控制系统， 能够调节电堆温度和温差， 空气供应系统提供反应所需氧气，氢气供应系统提供反应所需氢气，PEMFC 电堆是气体反应装置，额定功率为60 KW，最大效率为65%。