质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为高效、清洁且模块化的能源转换装置，已广泛应用于新能源汽车、备用电源与分布式能源系统。然而，在低温环境下，质子交换膜电导率显著降低，催化层生成的水易凝结成冰并堵塞气体传输通道，导致电化学反应难以持续，甚至无法正常启动，严重制约了燃料电池在寒冷地区的稳定运行。因此，深入揭示 PEMFC 冷启动机理，并建立高效、可控的启动策略，对其规模化商业应用具有重要意义。
在这一背景下，无锡市惠山区同惠新能源汽车创新研究院（简称“同惠研究院”）仿真团队凭借深厚的技术积累，在低温燃料电池动态性能研究中取得重要突破，成功开发出三蛇形流道 PEMFC 冷启动瞬态仿真模型。
该模型结合同济大学提供的实验数据进行了系统验证，验证结果显示：同惠研究院所建仿真模型的计算结果与实验数据高度吻合，膜电极温度最大误差小于 2℃，电池电压最大相对误差低于 5%，模型精度完全满足工程应用要求。
图1 三蛇形流道单电池冷启动模型——几何与网格
图2 三蛇形流道单电池冷启动模型——模型验证
图3 三蛇形流道单电池冷启动模型——变量分布
该模型实现了电化学反应、气体流动与扩散、热量传递、水-冰相变等关键物理过程的系统耦合，能够精准捕捉冷启动过程中液态水生成与冻结、冰分布演化、温度场及电势分布等内部动态特征，有效弥补了实验手段难以直接观测内部状态的局限。模型清晰揭示了启动阶段流场、浓度场、温度场与电场之间的动态耦合机制，可量化评估不同操作参数、材料属性与结构设计对冷启动性能的影响，为 PEMFC 低温启动优化提供了可控、可靠、可复现的先进仿真工具。
展望未来，同惠研究院将持续推动仿真技术与实验体系的深度融合，拓展氢能领域多物理场建模与数字化工具链建设，联合产业链上下游企业开展关键技术攻关，为我国氢能产业从技术突破迈向规模化商业应用提供坚实支撑。
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