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一、前言
燃料电池系统作为一种高效、清洁的能源转换装置，在汽车、分布式发电等领域展现出广阔的应用前景。然而，其在低温环境下的启动性能成为制约其广泛应用的关键因素之一。低温启动不仅影响燃料电池系统的可靠性和耐久性，还关系到其在寒冷地区的实际使用效果。因此，研究燃料电池系统低温启动技术具有重要的现实意义。
二、低温启动测试的研究目标
确定最低启动温度：明确燃料电池系统能够成功启动的最低环境温度，为应用场景选择和适应性设计提供依据。
优化启动时间：缩短从启动指令发出到系统达到稳定运行状态的时间，提高系统响应速度和实用性。
保障启动可靠性：确保在低温环境下多次启动过程中，系统不出现关键部件损坏、性能严重衰减等问题。
上海汽检氢能与燃料电池检测服务平台具备燃料电池系统环境可靠性试验舱和燃料电池系统涉氢海拔试验舱可精准模拟 - 40℃至 125℃的温度、不同湿度及海拔气压等多样化环境；支持低温、高温、湿热、海拔等多种环境测试能力；拥有三级传感联动、电气防爆、气体灭火等多重安全防护措施；还能与测试台架实现软硬件集成，通过联动控制满足各类测试需求，为燃料电池系统研发、优化及质量提升提供有力保障。
燃料电池系统环境可靠性试验舱
燃料电池系统低温测试
三、低温对燃料电池系统的影响
水结冰与微孔阻塞
在低温环境下，燃料电池内部的水会结冰。燃料电池反应生成的水在0℃以下迅速结冰，阻塞催化层（CL）和气体扩散层（GDL）的微孔通道（孔径10–50 μm）。冰体积分数>52%时，气体扩散系数下降99%，反应气体无法到达催化层，导致电压骤降。冰晶生长方向由阴极流道向催化层延伸，阻碍温度由内向外扩散，形成“冰-热对抗”的恶性循环。
电化学反应动力学迟缓
低温下，催化剂（如Pt/C）表面吸附物质解吸速率显著下降，导致活性位点被覆盖。当-10℃时Pt催化剂的氢氧反应速率降至常温的30%以下，反应活化能需额外提升15–25 kJ/mol，氢气在催化剂表面的吸附能力减弱，氧气扩散速率降低。阴极氧还原反应（ORR）的传质阻力增大，极限电流密度下降40%–60%，导致极化损失加剧。电极上的反应速率常数降低，导致活化极化增大，电池的输出电压下降。同时，反应气体在电极表面的吸附、脱附以及电荷转移过程都受到抑制，进一步影响了燃料电池系统的整体性能。
电池内阻增加
低温下，质子交换膜的质子传导能力下降，电解质溶液的离子迁移速率减慢，使得电池内阻显著增加。低温导致电化学阻抗谱（EIS）中高频区Rct显著增大（-10℃时可达常温的6倍），反映电极/电解质界面的电荷传递能力严重恶化，内阻的增大不仅导致电池输出功率降低，还会在启动过程中产生更多的热量损耗，不利于低温启动。
不同启动温度燃料电池阻抗的变化（图片来源：崔士涛）
四、燃料电池系统低温启动技术手段
4.1燃料电池系统加热策略
4.1.1外部加热
冷却液加热：通过外部的加热装置（PTC）对冷却液进行加热，然后将加热后的冷却液循环至燃料电池系统的冷却系统，以提高电池堆的温度。这种方法加热均匀，但加热速度相对较慢，增加了系统低温启动时间且需要额外的加热设备和能源供应，降低了系统效率。
PTC不同加热时长对燃料电池冷启动性能的影响（图片来源：黄天川）
4.1.2反应气体加热
在氢气供应管路中集成电加热片或气体换热器，利用系统废热、尾气余热或加热元件将氢气温度提升至适宜范围，（通常60-80℃）有助于加快电化学反应速率。阴极空气通过多级热交换器实现精准温控，例如本田第二代系统采用并联双换热器设计，空压机出口高温空气先分流至两个第二换热器，与冷却液换热后汇流，再经第一换热器二次调温，最终进入电堆。该设计降低压损50%，同时利用冷却液回路余热将空气加热至90℃，以提升系统低温启动性能。
燃料电池电流密度与中冷器出口温度对比图（图片来源：黄天川）
4.1.3反应气体饥饿预热
电极一侧或两侧出现反应物饥饿，形成过电压，反应界面出现局部或整体饥饿，导致电极极化过电位显著升高（可达数百mV）。根据公式 Q热=(1.482−Ucell)×I×n，电池电压 Ucell降低或电流 I增大均会提升产热功率 Q热。该过程产生的热可以使电堆温度升高。利用燃料电池自身的反应产热进行加热。在启动初期，通过控制反应条件，使燃料电池以较一定的电流密度运行，产生更多的热量来提升自身温度。
4.2燃料电池系统启动控制策略
4.2.1吹扫策略和含水量控制
在停机阶段通过水泵调节冷却液流量，配合系统散热器将电堆温度稳定在45℃恒温环境，实施多轮低电密吹扫，每次吹扫3~5min，此条件下，电堆内部膜电极（MEA）残余水含量可控制在15-18%（质量分数），该区间为水热管理平衡窗口，需要注意吹扫的时间，膜电极残余水含量低于10%导致质子传导率骤降，高于20%则结冰风险剧增，通过吹扫策略和含水量控制以提升低温启动性能和成功率。
4.2.2分级电流加载与电压保护策略
燃料电池低温启动的分级电流加载与电压保护策略采用三段式控制方法：
三段式电流测试加载方案：
初始阶段（-30℃至-10℃）：采用0.05-0.1 A/cm²的低电流密度，主要目标是避免电压骤降并减少初始产水量，可使电压波动降低60%。
温升阶段（-10℃至0℃）：提升至0.3-0.5 A/cm²的中等电流密度，以最大化反应热融冰效果，能使启动时间缩短42.2%。
稳态阶段（＞0℃）：恢复额定电流输出，确保功率稳定输出。
配套控制措施包括：在温升阶段将阴极计量比降至1.2-1.5，通过提高浓差极化来增加产热保持阳极氢气流速≥2.5 m/s，防止局部燃料饥饿。
电压保护测试机制：
采用分阶段动态电压阈值保护（Vmax1＞Vmax2＞Vmax3）：
第一阶段：电压下冲超过Vmax1时提升阴极计量比
第二阶段：电压下冲超过Vmax2时延长恒流时间
第三阶段：电压下冲超过Vmax3时关闭水泵减少热损失
实施单电池电压监控：
当最低单体电压＜0.4V时停止电流加载，当＞0.6V时持续加载电流。
4.2.3智能控制算法
引入先进的智能控制算法，如模糊控制、LSTM神经网络控制等。这些算法能够预测膜含水量（精度±3%）和冰堵风险，根据电池的多种运行参数（温度、电压、电流、气体流量等）实时调整启动策略，提高低温启动的成功率和效率。
五、技术发展现状与挑战
目前，国内外在燃料电池系统低温启动技术方面取得了一定的进展。部分燃料电池汽车已经能够在较低温度（如-30℃）下实现快速启动。然而，仍存在一些挑战有待解决。
一方面，现有的加热策略在加热效率、能耗和对电池寿命的影响之间难以达到完美平衡。外部加热需要消耗大量的额外能源，而内部加热可能会对电池造成一定程度的损伤。另一方面，新型电池结构和材料的研发虽然取得了一些成果，但距离大规模商业化应用仍有差距。此外，智能控制算法的实现需要大量的实验数据进行训练和优化，且在实际应用中对控制系统的响应速度和可靠性要求较高。
六、结论
燃料电池系统低温启动技术是其实现广泛应用的关键技术之一。通过深入研究低温对燃料电池系统的影响，采取有效的加热策略、优化内部结构与材料以及实施合理的启动控制策略，能够显著提高燃料电池系统的低温启动性能。尽管目前该技术仍面临一些挑战，但随着多技术融合、高性能材料研发以及智能化控制的不断发展，燃料电池系统低温启动技术有望取得更大突破，为其在寒冷地区的大规模应用奠定坚实基础。
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