许德超 赵子亮 盛夏 赵洪辉 王宇鹏

（1.中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春 130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130013）

主题词：质子交换膜燃料电池 冷启动 水伴热值 产水速率

1 前言

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）因其高效率、高功率密度以及响应快速等特性被认为是在汽车领域最具应用潜力的燃料电池技术之一[1]。目前，影响燃料电池汽车发展的主要障碍包括加氢基础设施不完善、成本较高和在极寒区域无法使用。在寒冷地区使用受限主要是因为燃料电池冷启动问题[2]，即电堆在0 ℃以下启动时，电极反应产生的水在排出电堆前结冰，并进一步导致膜电阻上升、反应物传质通道堵塞以及反应位置被冰层掩盖等情况，最终导致冷启动失败，甚至性能退化。冷启动性能的影响因素主要包括电池子部件的材料特性、单体及电堆的结构设计、启动模式和加载控制策略。水在电池内的结冰会对膜电极组件（Membrane Electrode Assembly，MEA）造成破坏，因此在电池升温到0 ℃之前控制液态水含量保持在最小值附近是一种合理的思路[3]。

电堆通过自身反应升温（自热）实现冷启动时，需要保证其内部不结冰或者尽量少结冰，以避免可能引起的性能衰减。在电堆自热升温期间，其是否结冰以及结冰量显然与自热过程中生成的水量相关，而水生成量与电流成正比。此外，电流又与发热功率相关，因此，控制电堆的水生成量，并最大化内部发热功率成为自热冷启动成功的核心。……