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

　　燃料電池在無特殊處理或輔助工具的情況中，在低于0℃的工作環境下，陰極側反應生成的水易結冰導致催化層、擴散層堵塞，阻礙反應的進行，并且水結冰產生的體積變化也會對膜電極組件的結構產生破壞，降低燃料電池性能。

　　啟動的反應熱量不足是外部低溫凍結膜電極的主因

　　燃料電池在常溫狀態工作時，內部陰極側H+和通入的O2反應生成水，水以氣態或液態通過對流完成從催化層至擴散層，再到陰極流道的交換排出。

　　當外部溫度在0℃以下時，若燃料電池啟動時化學反應產生的熱量足以支撐水以氣態或液態排出，則隨著反應的進行，溫度會逐漸升至正常的工作溫度(70~80℃);若不足以支撐水以氣態或液態排出，則會結成冰阻礙反應氣體的通過、凍結膜電極，導致電化學反應的中止，還有可能對膜電極造成不可逆轉的損傷。

　　低溫冷啟動是催化層反應溫度抵御外部低溫的過程

　　燃料電池的冷啟動可以分為水的生成、飽和、結冰和融化階段。生成的冰逐漸從陰極流道通過擴散層向催化劑過度，而電池反應產生的溫度從反向傳播，兩種溫度的抗衡決定最終啟動成功與否。該過程具體分為四個階段：

　　(1)電化學反應的初始階段水量較少，反應熱量供應充足。燃料電池開始啟動，隨著反應氣體的通入，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，該過程催化層反應產生的溫度充足，不足以結冰。

　　(2)隨著催化層水汽量增加，反應供熱開始和外部溫度相抗衡。陰極水蒸氣達到飽和后，繼續產生的水會在催化層中結冰沉淀，同時催化層中反應放出的熱量會對電池進行加熱抵御結冰。

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

　　利用氫氧直接反應產熱是車用冷啟動的應用主流

　　目前解決燃料電池汽車低溫冷啟動主要有加熱、通入熱空氣、冷卻水循環加熱、變阻加熱、氫氧反應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加熱等方法附帶的輔助系統質量體積較大，不適合車用;而氫氧反應加熱、氫泵加熱、氣體吹掃等方法，由于其原理是在啟動時臨時改變內部反應環境，外帶設備較少，是國內研究應用的熱點。

　　(1)氫氧反應加熱法不增加輔助設備，利用H2和O2在電極陽極或陰極一側直接接觸反應，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極，利用氫氣在膜電極催化層上的氧化釋放熱量，達到快速提高燃料電池溫度的目的。該方法操作簡單，應用過程中僅需在啟動時控制混合氣體的流量，即可實現燃料電池的快速升溫，不增加任何輔助設備;成本較低，僅利用自身燃料提供反應;啟動速度快，H2和O2之間無質子交換膜阻隔，直接反應劇烈，釋放熱量快;應用效果良好，僅需在啟動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用。大連化物所用該方法實現了在-20℃、-31℃、-36℃的低溫冷啟動。

　　(2)氫泵加熱法原理與氫氧反應加熱相同，通過外部電流作用使供氧側電極產生氫氣，從而直接反應產生熱量。其是將直流電源(汽車自帶蓄電池或電容)與燃料電池串聯，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兩極交換，在陰極側(原)產生H2，從而與通入的O2直接發應，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，該方法工作時燃料電池的升溫較均勻，對燃料電池的損害小。大連化物所用該方法實現了燃料電池電堆在-15℃、-20℃、-30℃溫度下的冷啟動。

　　結語

　　低溫冷啟動是影響燃料電池汽車商業化的主要因素之一。冷啟動失敗是由于電池啟動時，反應熱量不足以抵御外部低溫，而造成的膜電極凍結，目前國內車用冷啟動方法主要采用氫氧直接反應的方式，迅速產生熱量，提高電池溫度。其中，氫氧反應加熱法不增加輔助設備，需在電極某一側增加H2或O2的進氣通道，目前該法實現了-15℃、-20℃、-30℃溫度下的冷啟動;氫泵加熱法需增加可變電阻，通過改變反應堆的陰陽極得到氫氧混合氣體，再直接反應提高電池的溫度，目前該法實現了在-15℃、-20℃、-30℃溫度下的冷啟動。