技术专题 | 低温环境下，未势能源电堆冷启动开发解析

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【引言】

“双碳”背景下，汽车行业正在加速能源转型，质子交换膜燃料电池（PEMFC）以其排放零污染、能量转化效率高、无噪声、低温输出功率稳定等技术优势越来越受到车端动力应用场景的重视，但在大规模应用浪潮面前，技术层面需要解决的问题还有很多，其中最重要的一个问题就是低温环境下的启动问题。

PEMFC是将燃料中的化学能转化为电能，其主要产物为水，在冰点以下低温环境中，如果水状态处理不当就会结冰，从而造成扩散层（GDL）-催化层(CL)-质子交换膜（MEM）界面分层（ab）、PTFE从GDL脱落（c）、质子膜表面粗糙穿孔(d)、催化层出现裂纹(e)、聚合物和铂颗粒分离(f)等直接影响PEMFC性能及寿命衰退现象发生。

^{图1 PEMFC低温结冰导致的电池衰退现象}

从车端温度应用场景考虑，以0℃边界，低温下排放物水结冰是必须要克服和攻关的技术开发难点，未势能源电堆开发部针对这一行业技术难点，在电堆级冷启动试验开发过程中的低温预工况运行、停机吹扫与储存以及低温启动三个阶段，不断优化调整开发策略，通过结冰机理仿真计算、优化算法迭代寻优及试验验证的开发思路，探寻关机吹扫冷冻储存及低温启动过程两个最重要开发阶段电堆不结冰的控制边界，更新迭代电堆冷启动策略与电堆总成、零部件及材料层设计，最终实现-30℃电堆无冰冷启动。

预工况运行结合实车需求场景

不同的车端应用场景会导致低温关机前的运行工况复杂多样，而不同的关机前运行工况会造成电堆内水的量及空间分布的差异，未势能源依托长城汽车整车多年的载荷路谱积累，运用高精度修正的仿真模型进行燃料电池电堆级实车运行工况的转化，从而基于实车客户需求场景更全面的反应了电堆关机前的水的状态，为下一步的关机吹扫，探寻冷冻储存不结冰边界提供了真实可靠的准入边界条件，克服了业内供需场景不一致的现象，站在真实需求角度进行产品开发。

^{图2 基于长城整车开发实车路谱转化仿真模型}

^{图3 电堆级实车运行预工况}

关机吹扫低温储存

解决低温储存结冰问题

电堆级冷启动技术开发中结冰的控制主要体现在关机吹扫后冷冻过程中结冰的控制及冷启过程中生成的水结冰的控制两个阶段，究其根本就是要解决低温下的水热管理问题。膜电极中的离聚物具有吸收自由液态水成为结合水的能力，结合水低温不呈现结冰状态，为充分利用结合水该物理特性，图4是膜电极含水量的说明示意图。吹扫过于干燥虽然能够保证低温储存过程中没有冰的出现，但是在冷启动过程中会由于膜过于干燥质子传输受阻而冷启动失败，吹扫过于湿润，会有自由水析出形成冰阻塞损坏气体流通通道并破坏膜电极，因此保证在关机吹扫时膜电极合适的储水量是此阶段的重中之重。

^{图4膜电极储水能力示意图}

高频阻抗（HFR）是监测电堆内部干湿程度评价电堆吹扫结果的最终参数，未势能源依托自身强大的测试资源全矩阵进行吹扫后HFR及冷冻后HFR实际数据测量，同时结合冷启动过程中电压变化曲线，选取分析合适的吹扫结果能够保证低温出巡过程中没有冰的出现。

^{图5 冷启过程电堆结冰电压变化曲线}

^{图6 冷启过程电堆无冰电压变化曲线}

未势能源通过该种试验矩阵来观察分析控制启动过程中电压变化趋势宏观表征，确定吹扫目标HFR逆向和电堆吹扫策略，保证了冷冻储存过程中膜电极合适的含水量，克服了低温储存结冰控制这一技术难题。

低温启动

虚拟迭代优化计算+实验验证开发

为解决低温启动难题测试周期长、测试费用高同时测试输出宏观表征参数有限的行业开发现状，未势能源采用虚拟模型计算分析+优化算法迭代选优+瞬态试验验证的方法对电堆级的冷启动策略进行开发调整。

未势能源结合仿真计算模型，通过科学的方法获取低温条件下电堆零部件材料级的物性参数（行业内由于测试资源及测试技术大部分采用的是常温下测量进行低温特性外推），并将测试获取的仿真物性边界进行经验公式的拟合与修正并整合进仿真计算模型，获得了具有宏观表征如极化曲线，温度及欧姆阻抗等高精度和高普适性的仿真计算模型（图7所示），通过该模型的计算缩短了产品开发周期和开发成本。

^{图7 冷启动电堆级仿真计算模型的精度标定及普适性验证}

在策略开发寻优过程中，当前工程应用开发大部分采用样本人为均匀撒点及全矩阵试验的方法，不可避免的会受到撒点梯度和试验方案量的限制，最终获得最优点不一定是实际的最优点。未势能源通过科学的样本撒点法（如田口）+优化理论方法（遗传基因算法）结合的方式，用最小的样本量在限制边界内（启动时间，结冰量、结冰均匀度等）获得最优的工程最优解。

^{图8 样本撒点}

^{图9 最优约束边界}

^{图10 冷启动最优启动策略}

仿真计算作为辅助工具进行产品的开发，工程实践开发还需要结合试验，图11为捕捉到的一次典型的电堆级低温启动过程HFR变化过程，结合仿真结果对其进行冷启过程水真实状态进行分析。

^{图11 电堆低温启动过程中阻抗变化值}

低温启动过程中，通过HFR阻抗值可以实现水饱和，结冰、融冰及动态水平衡过程的瞬态分析，达到实时监测电堆低温启动过程中水的气固两相变化过程，从而调整启动策略并进行零部件设计及材料端的物性改进。

未势能源通过虚拟和试验联合的开发流程，实现了无冰的冷启动技术开发，从机理层面解决了电堆低温状态下冷冻储存结冰对膜电极产生的不可逆转的破坏作用及冷启动过程中结冰造成的堵塞反应流道导致冷启失败的现象发生，为燃料电池扩宽低温应用场景提供了根本性保证。

原文始发于微信公众号（未势能源）：技术专题 | 低温环境下，未势能源电堆冷启动开发解析

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