燃料电池必须在最佳的相对湿度和温度条件下运行，以确保电堆的高效运行和良好的耐久性。典型的汽车燃料电池电堆工作温度范围为60°-80°C。若电堆温度超过最佳范围，可能会损坏燃料电池组件，从而缩短其使用寿命；而温度低于最佳范围，则会导致电堆性能下降。因此，燃料电池系统配备了热管理子系统，通过流动通道引导冷却液在电堆内循环，从而有效地控制其温度。

01 存在问题

在车辆启动时，燃料电池电堆通常远低于其最佳工作温度，尤其是在低温环境中。为了提升电堆性能，需尽快将燃料电池电堆的温度升高至工作温度，这可能需要一分钟或更长时间。为了加快电堆升温，启动后在一段时间内不让冷却液流经电堆，从而利用电化学过程产生的废热迅速加热电堆。此外，已有技术提供了多种方法来加速电堆启动时的升温，例如向电池的阴极侧引入氢气，通过燃烧释放热量来加热电堆。然而，如果在电堆温度尚未足够升高时允许冷却液循环，可能会影响电堆的性能，甚至由于冷却液的低温导致电池故障。

在启动过程中，防止膜电极组件(MEA)过热并避免其退化至关重要。技术中已知，通过测量燃料电池电堆阴极侧排气的温度来确定电堆温度，从而在适当时机启动冷却液流动。通常，当阴极排气温度达到25°-40°C时，冷却泵会启动，开始通过电堆循环冷却液。然而，研究发现，在这一温度范围内，燃料电池某些部分的MEA温度可能超过100°C。人们认为，MEA长时间并反复暴露于这些高温下，会导致材料退化并引发耐久性故障，例如MEA出现针孔。

02 解决方案

根据本发明的技术，公开了一种用于在冷启动过程中确定燃料电池电堆内部温度的系统和方法，以便在电堆内部温度升高到可能损坏电堆内燃料电池的临界温度之前，启动冷却液流动。该系统和方法包括通过环境温度传感器或电堆冷却液歧管中的传感器来确定初始电堆温度，测量电堆的电压和电流，并根据这些数据以及电堆材料的比热容，计算电堆的废热，从而确定其温度。如果在启动过程中氢气被送入电堆的阴极侧，该系统和方法还包括确定氢气的流量。

在这一种实施方式中，该方法详细的包括确定燃料电池电堆的起始温度；使用低热值或高热值计算燃料电池电堆的理论电压；计算燃料电池电堆中电池的平均电压；计算燃料电池电堆中电池的平均电流密度；根据局部不均匀性对电流密度进行缩放；计算燃料电池电堆的热量生成速率；根据温度对热量生成速率进行缩放，以考虑来自控制体积单元的热损失；根据电流密度，决定使用缩放后的热量生成速率还是未缩放的热量生成速率进行温度计算；基于缩放或未缩放的热量生成速率，在预定时间间隔内计算控制单元中的生成能量。

根据该能量和单元的比热，计算控制单元中的温度升高；根据温度升高计算控制单元的新温度；如果新温度高于预定温度，则启动冷却泵。如果在启动过程中氢气被送入电堆的阴极侧，则该方法还包括根据氢气的流量计算从氢气流入阴极侧产生的热输入，并利用热量生成速率和热输入，计算控制单元在时间间隔内的能量。