Effective purge method with addition of hydrogen on the cathode side for cold start in PEM fuel cell

Strategy optimization of proton exchange membrane fuel cell cold start

“…于催化反应引起的阳极增湿降低了膜的欧姆阻抗，提高了启动过程中电池的性能。Zhan 等人 [93] 通过研究得出了一种最佳的分阶段预热策略，即先预热端板同时用空气预热电堆，当电堆温度高 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1371 于-5℃时，在适当的时机启动电堆。当堆温达到 24℃时，开始对反应物加湿和冷却剂循环，使 电堆恢复正常工作状态。 冷却剂加热由于其比热更高，比空气加热更有效。通过循环冷却剂，可以使电池组加热更均 匀，从而使电池组电压一致性更好 [93] 。Wei 等人 [94] 考虑了车载燃料电池冷启动时冷却液循环的流 动和传热，建立了三维瞬态冷启动模型。仿真结果表明，增加冷却液流量或冷却液槽容量对电池 电压影响不大，但会增加沿流动方向温度分布的不均匀性。而冷却液的流速增大虽然会使得电流 密度分布更均匀，但也会导致结冰量增加，且会影响其位置分布。Luo 等人 [90] 研究了系统级的冷 却剂辅助加热策略，实现了燃料电池汽车在-20℃和-30℃环境下的冷启动，验证了冷却剂预热策 略应用于燃料电池汽车冷启动的可行性和可靠性。 除了最常见的添加加热器和循环冷却剂加热策略外， 研究人员还尝试了各类外部热源对电池 进行加热并比较其实际冷启动效果。Yang 等人 [95] 建立了一个集成了电堆、膜加湿器、电化学氢 泵、压缩机和散热器的瞬态系统模型来研究系统层面的冷启动策略，研究了各种诸如反应物气体 加热法、电堆加热法、冷却剂加热法等各种辅助策略下的冷启动性能。研究发现，反应物气体加 热法可能会由于大量的水进入电堆导致突然的启动失败；电堆加热法堆内温差高达 22℃，说明 提高燃料电池材料的导热性非常重要；冷却剂加热法中用于加热冷却剂的功率消耗非常大，因此 需要其他功率来源。Zhou 等人 [96] 提出了一种可变加热与负载控制的新型冷启动方法，其主要思 想是只对在进行电化学反应的电池单元施加负载，同时对电堆内的某些电池单元施加外部加热， 由此可以更有效地利用外部加热功率和电堆自加热能力。结果表明，采用适当的这种方法可以显 著提高 PEMFC 的冷启动性能。 除了添加外部热源进行辅助冷启动的策略外， 由于启动前电池中的水含量对冷启动性能影响 显著，需要在电堆关闭期间通过气体吹扫尽可能多地去除水，因此吹扫策略的选择对于冷启动同 样十分重要。Sinha 等人 [97] 研究了吹扫条件对吹扫效果的影响，发现采用相对湿度低、流速高的 气体吹扫，且电池温度高的条件下水去除效果更好，有助于提高冷启动的性能。Kim 等人 [98] 通…”

Study on Fast Cold Start-Up Method of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Based on Electric Heating Technology

“…The results show that the maximum power cold start-up mode has a stronger starting ability compared with the constant voltage and current modes when the maximum power cold start method is utilized. Kim et al [10] adopted the hydrogen-purge PEMFC method at cathode side during cold start-up process. Their study results show that the hydrogen-purge method can effectively remove the cathode water and enhance the cold start-up performance of a PEMFC.…”

Catalytic hydrogen–oxygen reaction in anode and cathode for cold start of proton exchange membrane fuel cell

“…It was also found that there is almost no temperature discrepancy between anode and cathode catalyst layers (CLs). Cathode catalytic reaction can also be used for purge [43]. It should be noticed that such catalytic reaction may also accelerate the degradation of CL, and the degradation mechanisms include carbon corrosion [44] and platinum detachment/agglomeration [45].…”