低温冷启动是质子交换膜燃料电池在寒冷地区应用的核心瓶颈。传统研究缺乏对多物理场耦合失效机制的系统认知,导致电池在-20℃以下启动困难。江苏大学京江学院研究团队取得突破,首次揭示了-30℃及以下的多物理场耦合失效机理,并提出综合解决方案,将无辅助启动极限扩展至-30℃。

团队搭建了冷启动测试平台,集成多种设备,可实时采集多物理场数据。基于此,首次定量揭示了PEMFC低温冷启动的多物理场耦合失效机制。

研究发现,失效由膜结冰、催化剂活性下降、气体扩散层堵塞与端板效应耦合导致。膜内水结冰使内阻剧增;催化剂活性下降,导致电压降低、功率锐减。气体扩散层冰堵机制:生成水在GDL中结冰,堵塞孔隙,阻碍气体扩散,导致氧气饥饿和水淹,引起电压骤降。冰堵还恶化热传导,影响温度均匀性。

端板效应在低温下被放大,端板散热快,导致温度不均。在-30℃时,温差近10℃,端板电池先失效,引发电堆启动失败。这为策略优化提供了理论支撑。

基于失效机理,团队考察了电流加载策略,发现“低电流预热+阶梯递增加载”策略最优。在-30℃下,无辅助启动成功率达89%,启动时间7分钟;-25℃下达98%。引入辅助加热后,-30℃成功率升至95%,极限温度达-41℃。

团队还提出梯度孔隙率气体扩散层与端板加热耦合的方案,引导冰晶在大孔区形成,辅以分区加热,使电压差异从15%缩小至8%,启动成功率提高22%。这一协同方案为极低温启动提供了新思路。

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