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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)、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(huì)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(huì)導(dǎo)致整個(gè)或者局部電池溫度過高，使得膜脫水、收縮、褶皺甚至破裂，對(duì)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(jì)對(duì)堆的散熱有很大的影響，良好的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算網(wǎng)格

燃料電池堆由多個(gè)單電池組成，而每一片單電池由膜電極和雙極板組成，對(duì)于冷卻板的布置，可以將薄的流場(chǎng)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(jì)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(huì)被加強(qiáng);同時(shí)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(gè)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(gè)進(jìn)口和4個(gè)出口，上表面積為50 cm2，冷卻流道寬2 mm，高1 mm，計(jì)算得流道的水力直徑為1.33 mm，整個(gè)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(jì)算精度并節(jié)約計(jì)算時(shí)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(jì)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(jì)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(dòng)為層流，不可壓縮牛頓流體;kg為固體導(dǎo)熱系數(shù)。

對(duì)于介質(zhì)為水的冷卻液體，其質(zhì)量、動(dòng)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(jì)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(shí)的流動(dòng)傳熱，則在進(jìn)口處對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)分別為 14、28、42、56、70，同時(shí)計(jì)算得到不同流速下對(duì)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(huì)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(jì)算公式如下［8］:

式中:I、V為單電池最大功率輸出時(shí)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(jì)算得q約為2 489W/m2，計(jì)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(duì)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(shí)(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(shí)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(shí)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(huì)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)冷卻流道時(shí)，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(dòng)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(shí)壓降最小，在流量較高時(shí)，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(shí)，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(dòng)和傳熱，通過計(jì)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(shí)也會(huì)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(shí)，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(shí)，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(jì)更合理。

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