質(zhì)子交換膜燃料電池冷卻流道的設(shè)計與分析

羅馬吉，傅立運(yùn)，詹志剛，羅志平

(1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢430070;2.武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北武漢430070)

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它按電化學(xué)原理，等溫地將貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能［1］。在種類眾多的燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)是一種環(huán)境友好、轉(zhuǎn)化效率高的能源轉(zhuǎn)換裝置，具有室溫快速啟動、比功率和比能量高等優(yōu)點(diǎn)，最有希望成為汽車和居民用能源的替代品之一［2］。

PEMFC作為一種低溫燃料電池，典型的工作溫度范圍為60℃ ～85℃，在運(yùn)行中會產(chǎn)生大量的熱，主要是由化學(xué)反應(yīng)和水的凝結(jié)生成［3－4］，并且散熱溫差很小，不充分或者無效的電池冷卻會導(dǎo)致整個或者局部電池溫度過高，使得膜脫水、收縮、褶皺甚至破裂，對于電池的性能和壽命都有很大的影響［5］。燃料電池的冷卻介質(zhì)主要有水和空氣兩種，大功率下一般采用水冷［6］，筆者主要研究的是水冷燃料電池的冷卻板。冷卻板中的冷卻水能夠帶走反應(yīng)產(chǎn)生的多余熱量，冷卻流道的設(shè)計對堆的散熱有很大的影響，良好的設(shè)計可以使堆內(nèi)溫度分布更均勻，在較低的冷卻水流量下帶走更多的熱量，減少水泵的輸出功率，提高燃料電池的效率。筆者設(shè)計了4種形式的冷卻流道，并采用STAR－CD軟件進(jìn)行CFD模擬分析。

1 幾何模型及計算網(wǎng)格

燃料電池堆由多個單電池組成，而每一片單電池由膜電極和雙極板組成，對于冷卻板的布置，可以將薄的流場板插入燃料電池中，或者在雙極板中制作額外的流道，以便將熱排出堆外［7］。圖1為質(zhì)子交換膜燃料電池堆結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)傳熱學(xué)原理設(shè)計了A、B、C、D 4種形式的冷卻流道，如圖2所示，其中A為并行流道，B、C和D均為蛇形流道。4種冷卻流道的蛇形彎道數(shù)不同，彎道數(shù)越多流體在冷卻板中的換熱面積越大，換熱就會被加強(qiáng);同時在彎道處壁面附近熱流體與中心處溫度較低的流體有一個混合的過程，彎道越多混合效果越好，這樣也能夠加強(qiáng)換熱。每塊板有4個進(jìn)口和4個出口，上表面積為50 cm2，冷卻流道寬2 mm，高1 mm，計算得流道的水力直徑為1.33 mm，整個板的厚度為2 mm。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池堆結(jié)構(gòu)示意圖

在STAR－CD中建立冷卻板的幾何模型并劃分網(wǎng)格，如圖3所示。為了提高計算精度并節(jié)約計算時間，固體和流體部分均采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為64萬。

圖2 4種不同形式的冷卻流道結(jié)構(gòu)

圖3 計算模型網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型

在計算中做了如下假定:

(1)在進(jìn)口處流量均勻，忽略流速的變化;

(2)假定物性參數(shù)是恒定的，不隨溫度變化;

(3)均勻熱流密度。

固體傳熱控制方程為:

冷卻流體流動為層流，不可壓縮牛頓流體;kg為固體導(dǎo)熱系數(shù)。

對于介質(zhì)為水的冷卻液體，其質(zhì)量、動量、能量的控制方程描述如下:

式中:ρ為流體密度;μ為流體粘度;cp為流體定壓比熱;k為流體導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2 邊界條件

計算了A、B、C、D 4種流道在進(jìn)口速度分別為 0.05 m/s、0.10 m/s、0.15 m/s、0.20 m/s、0.25 m/s時的流動傳熱，則在進(jìn)口處對應(yīng)的雷諾數(shù)分別為 14、28、42、56、70，同時計算得到不同流速下對應(yīng)的流量分別為24 cm3/min、48 cm3/min、72 cm3/min、96 cm3/min、120 cm3/min。由于模擬燃料電池在最大工況下的冷卻效果，進(jìn)口溫度設(shè)為333 K，水的比熱為4 179 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為65.9 W/(m·K)，冷卻板固體比熱為691 kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為 85.5 W/(m·K)。

冷卻流道在兩片單電池之間，運(yùn)行中電池產(chǎn)生的熱量會通過反應(yīng)氣體和冷卻水帶走，假設(shè)有80%的熱量由冷卻水帶走，熱量通過固體的上下表面流入，那么冷卻板帶走的熱量Q及熱流密度q計算公式如下［8］:

式中:I、V為單電池最大功率輸出時的電壓和電流，分別取為41 A 和0.47 V;Δhof為水的低熱值，取為237.3 kJ/mol;F為法拉第常數(shù)，取為96 487 C/mol;A為一側(cè)固體表面積，取為50 cm2。計算得q約為2 489W/m2，計算中取2 500W/m2。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱分析

冷卻板上的表面最高溫度對質(zhì)子交換膜燃料電池性能和壽命都有很大的影響。圖4為4種形式的冷卻流道在不同流量下的冷卻板表面最高溫度，其中從冷卻板表面進(jìn)入的熱流量相同，冷卻水進(jìn)口溫度都為333 K，可以看出在相同的流量下A型流道的冷卻板表面最高溫度總大于B、C、D型流道的冷卻板的表面最高溫度。在流量較低時(如24 cm3/min)B型流道的冷卻板表面最高溫度略高于C、D型流道的冷卻板表面最高溫度，但隨著流量增大其表面最高溫度趨于一致，當(dāng)流量高達(dá)120 cm3/min時B、C、D 3種流道形式的冷卻板的表面最高溫度都為337 K。

圖4 不同流量下4種流道形式的冷卻板表面最高溫度

圖5 顯示了在冷卻水流量為120 cm3/min時4種不同流道形式的冷卻板表面溫度的分布云圖，可以看到進(jìn)口附近的溫度最低，高溫區(qū)域都分布在出口一側(cè)。A型流道的冷卻板的最高溫度在出口兩側(cè)靠近板的邊緣，會使電池局部過熱。圖6顯示了4種形式的冷卻流道在不同流量下的表面溫差，冷卻板表面的溫差可以反映溫度分布的均勻性?？梢钥闯鯝型流道的冷卻板的溫度分布均勻性最差，在流量為24 cm3/min時，B、C、D型流道的冷卻板的表面溫差分別為11.6 K、12.7 K、11.2 K，C型流道的冷卻板的溫差要高于B、D型流道的冷卻板。在流量為96 cm3/min和120 cm3/min時，B、C、D型流道的冷卻板的表面溫差都為4.6 K和4.0 K，A型流道的冷卻板在流量為120 cm3/min 時的表面溫差為4.9 K，高于 B、C、D型流道的冷卻板在流量為96 cm3/min時的溫差，可見A型流道的冷卻板溫度均勻性較差。

圖5 流量為120 cm3/s時冷卻板表面溫度分布云圖

圖6 4種冷卻流道的冷卻板在不同流量下的表面溫差

3.2 壓力損失分析

在設(shè)計冷卻流道時，進(jìn)出口的壓降也是需要考慮的重要因素。在滿足冷卻要求的情況下，壓降越小，流動阻力和水泵所耗功率就越小，可提高燃料電池的發(fā)電效率［9－10］。不同流量下進(jìn)出口壓降如圖7所示，由圖7可知隨著流量的增加，壓降變大，但它們之間并不是線性關(guān)系，流量越大，壓力損失增加得越多。在4種流道形式的冷卻板中，A型流道的冷卻板采用了并行流道，此時壓降最小，在流量較高時，B型流道的冷卻板的進(jìn)出口壓降也遠(yuǎn)小于C、D型流道的冷卻板。在流量達(dá)到120 cm3/min時，D型流道的冷卻板的進(jìn)出口壓降為2 000 Pa，B型流道的冷卻板只有820 Pa。

圖7 不同流量下進(jìn)出口壓降

4 結(jié)論

筆者用CFD的方法模擬了不同流速下4種冷卻流道的流動和傳熱，通過計算得到如下結(jié)論:

(1)增大流量可以帶走更多的熱量，冷卻板的溫度均勻性更好，但是同時也會增加進(jìn)出口壓差，使水泵消耗更多的電能;

(2)冷卻水流量很大時，4種流道冷卻板的表面溫度最高，表面溫差相差不大;在流量較小時，固體表面溫度最高，表面溫差有明顯的區(qū)別;

(3)B型流道的冷卻板中進(jìn)出口的壓降遠(yuǎn)小于C、D型流道的冷卻板，但傳熱效果與C、D型相同，故B型流道的冷卻板的設(shè)計更合理。

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