低温发动的办法战略、资料规划选型、结构规划办法及其验证手法等。本文共享设备中心（J-PARC）和归纳科学研讨组织（CROSS）运用坐落J-PARC的中子成像设备“和冰的可视化辨认技能，而且使用该手法说明发电中燃料电池内部结冰导致功能直线下降的进程

  经过吹扫/预算含水量，而且发动进程优先增加产热量，丰田已在量产的燃料电池轿车Mirai上完成了牢靠的-30℃低温发动才能。低温发动的难点在于电化学产品水集合和结冰会阻止反响气进入催化层的通道，导致发动失利。因而，全面了解低温发动进程的水/冰行为关于进步低温发动才能至关重要。本文共享丰田、J-PARC和CROSS组织针对车规级全尺度第二代Mirai燃料电池单体进行的低温发动水/冰行为试验研讨。

  本次试验在日本质子加速器研讨中心（J-PARC）的资料和生命科学试验设备（MLF）光束线上的中子成像设备“RADEN”中进行，上图1展现了可坚持燃料电池在-30℃~60℃温度运转的该在线中子成像体系。

  试验目标为一节丰田第二代Mirai单元电池，上图2为该中子成像设备“RADEN”上的第二代Mirai燃料电池单体发电设备。在中子成像的一起，也同步在Mirai单节电池阴极流场外表从空气进口到出口的四个分区装置微型热电偶以监测分区温度散布。

  上图3a展现了第二代Mirai单元电池在-4℃低温发动进程中电流和各分区温度随时刻的改变联系。在低温发动进程中，单元电池坚持安稳电压0.2V，阴阳极干气流量分别为2.6和1.4L min-1。可以正常的看到，因为电池产热，电池温度上升，电流也随即快速提高。分区温度显现出TTc1＞TTc2＞TTc3~TTc4，标明空气侧进口产热量大于出口（上游温度大于下流温度）。电流一度坚持在135A左右，t4时刻后开端下降，温度也随之下降。此外，在挨近冰点的时刻发现了由水的凝结热引起的温升小顶峰。在低温发动11 mins后，电流降至0 A，低温发动失利。

  上图3b~3f展现了第二代Mirai单元电池在-4℃低温发动进程要害节点的水/冰（该试验中水和冰未可视化别离，因而成像中包含液态水和冰）散布状况。在低温发动进程的一切中子成像中，观察到下部区域有对应波纹形流场方式的波纹状水/冰，标明阳极流道方位存在水/冰集合现象。此外，观察到在上部的x区域有直线状的水/冰集合现象，标明阴极气体流道也产生水/冰集合，而且集合区域以图中所示的y线条延伸至空气进口侧。最终，在y线条的左边空入一切区域根本被水/冰彻底掩盖。（第二代Mirai阳极板为波纹形流场，阴极板为带缩短特征的直流场，可经过集合形状判别结冰方位。如集合显现波纹状，标明水/冰集合在阳极气体流道）。

  为了进一步探究低温发动失利的水状况改变，运用了根据波长挑选技能的在线脉冲中子成像办法对强制预冷条件下发电的第二代Mirai单元电池展开水/冰辨认研讨（该试验中水和冰进行了可视化别离）。首要，坚持安稳电压0.25V发电，干氢气和干空气流量分别为1.5和2.5L min-1；10 mins后开端预冷，坚持每隔3分钟下降1℃的降温速率。上图4a展现了强制预冷试验中电流和各分区温度随时刻的改变联系，注意在发电安稳后开端对单元电池强制预冷。预冷开端后，单元电池各分区温度开端按线性趋势下降，而且TTc1＞TTc2＞TTc3＞TTc4，标明电池温度在冷却剂活动方向（空气活动方向）上逐步下降。

  上图4b~4f展现了在强制预冷发电试验进程中要害节点的结冰散布状况。从图4b可以精确的看出，液态水在电池外表散布均匀，无任何显着的集合形状，标明液态水此刻集合在GDL中，并非气体流道。跟着强制预冷进行，在阴极下流发现冰，而且随时刻向阴极上游侧延伸（图4c~4f）。此外，也发现平行直线f），标明在阴极气体流道产生了冰。尔后，结冰区域逐步向阴极上游漫延，直至上游彻底被封堵和发动失利。

  在燃料电池低温发动进程中，电化学产品水结冰会按捺通往催化剂的气体供给，下下降温发动才能。在低温发动试验中，丰田经过中子成像技能提醒了车用大型PEFC内部的水/冰行为进程。在强制预冷试验中，深化调查了断冰进程和失效机理。首要，电化学产品水集合在GDL内部；接下来，产品水从下流开端冻住，上游的产品水移动到下流的气体通道并冻住；随后，产品水在冻住区的上游积累，然后向上游冻住；最终，水彻底冻住，发动失利，如下图5所示。这种低温发动失效是因大尺度车用PEFC特有的发电面内温差导致。丰田提出的PEFC低温发动失效机制可为工业界做相关操作条件（如冷却剂/气体流速）优化、电池资料挑选和结构规划供给参阅。未来，丰田将在此根底之上进行更全面的低温发动可视化结冰观测研讨。