质子交换膜燃料电池（PEMFC）的冷启动过程，一直以来都是制约其商业化的重要问题。提高电池自启动能力一直是困扰燃料电池学术界、工业界的热点难题之一。随着燃料电池汽车商业化的逐步推进，控制成本，形成与传统发动机汽车和纯电动汽车相当的价格竞争力，是不少整车厂、整机厂进行技术攻关的首要任务。

商业化的泡沫金属材料由于其所具备多孔的微观结构、高孔隙率、良好的机械强度等优点，是目前燃料电池传统流道良好的潜在替代品。那么，它究竟好在哪里呢？其从根本上摆脱了传统流道由于流道间“脊”的存在，所带来的诸如反应气分布不均，液态水在脊下集聚、电化学反应分布不均等一系列问题。将传统流道“沟-脊”交替的结构，进一步细化为孔隙率极高的多孔结构，同时其良好的延展性，以及金属相容性，在应用上也更加灵活，诸如采用金属镀层增加导电性，PTFE附着增强疏水性、耐腐蚀性等都能轻松实现。

泡沫金属流场（镍）

传统平行流场

我们的研究主要基于实验，首先分析了常温正常工况下的电池极化性能。考虑到阴极是制约电池性能的主要电极，因此，两块单电池阳极均采用传统平行流道，阴极则分别采用传统平行流道与全新镍金属泡沫流场。其输出净功率对比如下图所示：

为了更加鲜明地体现两种流场中的流动差异和性能差异，本研究采用了1.5cm×20cm尺寸的的细长型电池流场（气体均沿长边流动），一定程度上损失了原有的电池性能，因此，电池极化性能不高。另外，测试中两电池均采用相同的MEA （Nafion-112）。由于泡沫金属流场中微小流道的弯曲度更高，因此，相比于传统流场的简单长直流道，其两端压降更高，增强了阴极的气体供给、运行压力以及电化学反应速率，同时，在一定程度上需要消耗更多的压气机功率，增加了泵气损失。从图中净功率对比来看，采用泡沫金属流场的电池其最大功率密度更高，而在低电流下，功率密度对比于传统流场电池则稍逊一筹。整体来看，采用泡沫金属流场的优势依然显著。长远来讲，由于泡沫金属流场中的更均匀的气体和液态水流动，在实际应用中可以采用更短的流场，或者采用阴阳极垂直交叉供气的方式（阳极气体沿传统流道长边流动，阴极气体沿泡沫流场短边流动），而进一步降低阴极进出口压降带来的泵气损失，因此，有望实现在增强电池性能的同时，维持与传统流道相当，甚至更低的泵气损失。

另一方面，针对颇受关注的零下启动工况，我们全面对比了恒电流与恒电压模式下，阴极分别采用泡沫金属流场与传统平行流道的燃料电池的动态启动性能。400 mA cm-2冷启动过程如下图所示：

该工况下，泡沫金属流场体现出了卓越的优势，启动过程中电池性能稳定，并最终启动成功，而反观传统平行流道电池，运行过程电池输出电压较低且不稳定，在一定程度上提高了产热率与升温速率，但由于流通通道较少，结冰堵塞的可能性直线提升（取决于流道数量），从而导致了其波动的电池输出性能，同时增加了启动失败的可能性。

综上所述：采用泡沫金属流场的燃料电池在常温运行与零下动态启动工况下，其卓越的类多孔结构相比于采用传统“沟-脊”结构流道的电池，均具有显著的优势。

• 常温下电池最大功率密度、极限电流密度均提高约25%；

• 零下启动工况下，采用泡沫金属流场的电池启动过程中，性能更加平稳，低温自启动能力大幅提升。

另外，对泡沫金属材料，采用更加优化的处理方法，诸如镀金增强电导率，采用更合适的疏水性和耐腐蚀性处理，以及采用孔径、孔隙率以及压缩率更优化的泡沫材料，有望进一步强化燃料电池的运行性能，提升冷启动循环耐久性。

更多信息请参阅全文：

√ Sen Huo, Nathanial James Cooper, Travis Lee Smith, Jae Wan Park, Kui Jiao. Experimental investigation on PEM fuel cell cold start behavior containing porous metal foam as cathode flow distributor. Applied Energy 203 (2017) 101–114.