摘要：本文由Gamma Technologies和Symbio共同研究，聚焦于质子交换膜燃料电池（PEMFC）在极端低温环境下的启动性能优化。低温启动是燃料电池技术的关键挑战，需平衡升温时间、成本、水管理（如结冰/水淹风险）和效率等参数。通过1D系统仿真（GT-SUITE工具），团队对一款45kW轻型商用车燃料电池系统进行建模与校准，重点优化了热力学行为、电化学反应及水管理机制。研究目标是通过虚拟分析加速升温时间，并评估硬件（如冷却回路加热器）和控制（如电流曲线控制）解决方案的敏感性，最终实现-15°C至-30°C的低温启动能力。
1.研究背景
质子交换膜燃料电池（PEMFC）需在极端低温环境下实现可靠启动，但需平衡升温时间、成本、水管理（如结冰/ 水淹风险）和效率等参数。通过 1D系统仿真（GT-SUITE工具） 可以快速评估多个方案，避免实际测试过程中燃料电池老化的风险，并预测不可直接测量的数据（如内部温度分布、冰晶形成），建立复杂模型。
GT-SUITE是多物理场系统仿真软件，可提供单体级、电堆级、系统级、整车级全方位解决方案：
-单体级：进行详细电芯设计（材料、通道设计、电化学、流体、力学和热分析）
-电堆级：进行电堆，组件，热和流动分析（材料，歧管设计，极化曲线，流体分布）
-系统级：进行子系统硬件和低级控制策略设计
-整车级：进行动力总成尺寸和高级控制策略设计（（耐久性/效率）
本文使用GT-SUITE建立了45kW轻型商用车燃料电池系统，并在高温条件下对模型进行了校准，极化曲线仿真结果与实验值对比如下：
此燃料电池系统架构如下图所示，主要部件包括：氢气回路（氢气再循环与Purge阀）、冷却回路（来自3D CAD模型）、空气回路（压缩机、中冷器、加湿器等）、燃料电池电堆（完整的多物理模块，包括传热，传质和电化学）、控制。
2.冷启动模型设置
2.1 模型更新
模型在高温工况下已标定完成，为提升冷启动模拟的准确性进行了以下更新：
传热模型更新，增加了与外部环境的对流换热
通过拟合一次函数，考虑与温度相关的阴极气体扩散层（GDL）电荷转移系数[1]
阳极和阴极GDL中的结冰模型
与两组实验数据进行对比，下图为边界条件的测点布置
2.2 标定参数
为提升模型精度，调整了以下关键参数：
1.电堆内部压降
2.外壳质量
3.电堆与加湿器初始膜含水量
4.阴极电荷转移系数
5.气体扩散层（GDL）初始冰含量
3.计算结果
两个实验工况下的计算结果如下：
· 电堆电压的整体变化趋势得到了良好重现
· 数据集1（阳极回路预先排空的启动工况）的模拟差异较明显
· 数据集2中因节温器开启导致的电压骤降现象（实验中未观察到节温器开启）
在测试台架中布置了多个温度传感器，并将实测数据与对应虚拟传感器的模拟结果进行对比：
· 冷却液温度的整体吻合度较好
· 中高温区间存在偏差，可能源于过于简化的传热模型
· 空气温度差异较显著
模拟结果显示空气温度与冷却液温度相近，实测数据表明空气侧温度明显更低。
4.总结
· 基于GT-SUITE平台完整构建了燃料电池系统零下启动工况模型
· 对现有模型进行三大关键改进：
✓传热模型
✓电化学
✓水管理
· 模型校准重点：
✓温度相关的电化学参数的的校准至关重要
✓ 结冰模型在当前测试条件下对性能影响有限
· 模型验证成果：
✓ 达到20°C所需时间的预测误差<5%（两组数据集）
✓ 成功复现电堆电压的整体变化趋势
· 基于优化模型开展虚拟分析，评估硬件（冷却回路几何优化、加热器配置）/软件方案对升温时间的敏感性：
✓冷却液回路加热器功率评估（关键发现）：
▶ 加热时间与系统效率的平衡关系
▶ 加热器可有效降低电堆水淹风险
· 当前产品已实现-15°C可靠冷启动，未来目标-30°C，持续优化方向：
✓ 热模型精度提升
✓ 电化学行为模拟完善
参考文献
[1]Parthasarath et al: "Temperature Dependence of the Electrode
Kinetics of Oxygen Reduction at the Platinum/Nation Interface--A
Microelectrode Investigation", J. Electrochem. Soc., Vol. 139, No. 9,
September 1992.
文章来源：GT北美用户大会
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