研究背景

目前，質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）冷啟動問題是燃料電池進一步發(fā)展的重大制約因素，為了提升燃料電池的冷啟動能力，目前常見的手段主要包含結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輔助啟動與負載控制優(yōu)化。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輔助啟動等為冷啟動性能的提升提供了硬件保障的基礎(chǔ)，負載控制等運行策略可以進一步方便、高效地提升燃料電池冷啟動的性能。

PEMFC冷啟動負載控制策略可以按照其主要控制的對象分為電流、電壓和功率。三種控制策略各有優(yōu)劣，需要根據(jù)啟動過程與自身條件綜合比對，選擇更為適合的負載控制策略。

電流控制策略

恒電流啟動是目前許多實驗與模型研究中最為常見的負載控制策略。電流在冷啟動過程中相對容易控制，因此恒流模式有利于穩(wěn)定實驗中的流量[1]。對于這種策略，目前存在兩種電流優(yōu)化方向。

第一種希望充分利用燃料電池在被冰完全堵塞前的電化學產(chǎn)熱[2]，因此，這種策略通常會采用較低的電流密度，因為較低的電流密度意味著較低的產(chǎn)水速率，這使得電堆中的離聚物能有重組的時間吸收水分形成模態(tài)水，從而延緩冰的累積。雖然相對于高電流密度，其產(chǎn)熱效率會降低，但產(chǎn)生的總熱量相對更多。

第二種策略更傾向于讓電堆快速升溫，在冰完成堵塞之前就成功啟動電堆[3]。這種策略認為，冷啟動失敗后的最終溫度越高，冷啟動成功的可能性也就越高[4]。因此，這種策略會選擇較高的啟動電流密度，因為這可以提高熱產(chǎn)生速率，減小啟動過程中的熱損耗。

除此之外，線性變流啟動結(jié)合了二者的特點，是一種更為優(yōu)秀的電流控制策略。由以上的說明可知，較低的電流密度會減緩冰的形成，提升熱產(chǎn)生的總量；而較高的電流密度有助于快速升溫，線性變流啟動結(jié)合了二者的優(yōu)點[5]。在最初的低電流下，冰被阻止形成；隨著溫度的升高和運行電流的增加，由于水容量已經(jīng)增加，即使產(chǎn)生更多的水，冰的形成速度仍然很低。但是，線性變流啟動也存在問題，電流上升速率與上升時間會極大的影響冷啟動的性能，需要多次的實驗與仿真才能最終確定。

電壓控制策略

恒電壓啟動也是一種可以采用的負載控制策略，其相較于恒流啟動模式更加難以控制，往往需要DC/DC變換器相配合才能確保電壓的穩(wěn)定[6]。但是，在低壓運行時能夠使電堆在冷啟動過程中始終保持較高的產(chǎn)熱率，其相較于恒流啟動能產(chǎn)生更多的余熱，但是這也降低了電堆的輸出功率與效率[7]。

功率控制策略

在燃料電池作為車輛混合動力系統(tǒng)的一部分時，往往會傾向于在恒定功率下運行，以獲得最佳的性能與效率。恒功率啟動的初始電流密度大，大電流通過電滲阻力效應引起MEA中膜水的重新分配，陽極催化層中的含水量急劇下降，電池總電阻增加，電流密度也隨之下降。因此，僅就從冷啟動角度考慮，恒功率對冷啟動能力的提高作用有限。

最大功率啟動也是冷啟動的一個重要控制策略，它能使燃料電池快速達到滿負荷的工作狀態(tài)。其產(chǎn)熱量與恒壓與恒流啟動的對比如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)，與恒壓模式下后期產(chǎn)熱率下降不同，在最大功率冷啟動模式下，產(chǎn)熱率在第一個下降階段后不斷增加。這個優(yōu)勢對于快速啟動是至關(guān)重要的[8]。但是最大功率策略的限制也很明顯，對于冷啟動過程，燃料電池的最大功率點是實時變化的，在實際操作中難以確定最大功率點。

圖1 三種冷啟動策略總發(fā)熱率與電流密度變化[9]

總結(jié)

目前，對于PEMFC冷啟動負載控制策略可以分為電流、電壓與功率三類，三類控制策略的優(yōu)缺點如表1所示。在實際的仿真和實驗過程中，需要綜合考量電堆運行狀態(tài)和環(huán)境條件，結(jié)合冷啟動需求選擇最佳的冷啟動負載控制策略。

控制策略優(yōu)點缺點電流低電流密度電流容易控制；低產(chǎn)水速率可延緩冰累積；總產(chǎn)熱量高產(chǎn)熱速率較低；啟動時間較長高電流密度電流容易控制；高產(chǎn)熱速率；減小啟動過程熱損耗結(jié)冰速率較快；易造成電堆結(jié)構(gòu)退化線性變流結(jié)合以上兩者優(yōu)點上升速率難以決定；策略難以制定電壓恒壓保持電堆較高的產(chǎn)熱率；產(chǎn)生更多余熱需要DC/DC變換器配合；降低了電堆的輸出功率與效率功率恒功率能使電堆獲得最佳性能與效率難以提高電堆的冷啟動能力最大功率使電池快速達到滿負荷的工作狀態(tài)；產(chǎn)熱能力強最大功率點確定復雜，難以控制。

表1 電流、電壓與功率控制策略的優(yōu)缺點

【來源標注】

[1] Luo Y, Jiao K. Cold start of proton exchange membrane fuel cell[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2018, 64: 29-61.

[2] Tajiri K, Tabuchi Y, Wang C Y. Isothermal cold start of polymer electrolyte fuel cells[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2006, 154(2): B147.

[3] Lei L, He P, He P, et al. A comparative study: The effect of current loading modes on the cold start-up process of PEMFC stack[J]. Energy Conversion and Management, 2022, 251: 114991.

[4] Hu K, Chu T, Li F, et al. Effect of different control strategies on rapid cold start-up of a 30-cell proton exchange membrane fuel cell stack[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2021, 46(62): 31788-31797.

[5] Yang X, Sun J, Sun S, et al. An efficient cold start strategy for proton exchange membrane fuel cell stacks[J]. Journal of Power Sources, 2022, 542: 231492.

[6] Zenith F, Skogestad S. Control of fuel cell power output[J]. Journal of Process Control, 2007, 17(4): 333-347.

[7] Yang Y, Ma T, Du B, et al. Investigation on the operating conditions of proton exchange membrane fuel cell based on constant voltage cold start mode[J]. Energies, 2021, 14(3): 660.

[8] Pan M, Li D, Pan C, et al. Maximum power tracking-based adaptive cold start strategy for proton exchange membrane fuel cell[J]. Energy Conversion and Management, 2022, 273: 116387.

[9] Du Q, Jia B, Luo Y, et al. Maximum power cold start mode of proton exchange membrane fuel cell[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39(16): 8390-8400.