劉洪建，王聰康，崔洪坡，周博孺，李國祥，王桂華

(1.山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，山東 濟南 250061；2.蘇州弗爾賽能源科技股份有限公司，江蘇 昆山 215300)

0 引言

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrance fuel cell,PEMFC)具有能量密度高，啟動速度快等優(yōu)點[1]，其發(fā)電效率最高可達60%左右[2]，排放物僅為水,對環(huán)境無污染，被認(rèn)為是最具潛力的未來車用動力源之一[3]。在實際應(yīng)用中，燃料電池都是以燃料電池系統(tǒng)的形式來運行[4]。PEMFC系統(tǒng)由電堆和輔助系統(tǒng)組成[5]。其中，燃料電池輔助系統(tǒng)又包括供氣系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)等[6]。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)作為燃料電池水熱管理系統(tǒng)的重要組成部分[7]，能夠帶走電堆產(chǎn)生的廢熱以保證電池在最佳溫度范圍內(nèi)工作。同時，對于具有多個電堆的燃料電池系統(tǒng)而言，冷卻水管路既要保證各電堆流量分配的一致性，又要求管路壓降不能太大，以免產(chǎn)生過多的輔助系統(tǒng)寄生功耗。因此，針對某燃料電池冷卻水管路系統(tǒng)設(shè)計三通管以分流冷卻水，并對原有的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化以滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

1 冷卻水流場數(shù)值模擬

通過分析冷卻水管內(nèi)壓力、流量和速度等分布情況判斷冷卻水三通管的設(shè)計是否符合需求,當(dāng)前CFD技術(shù)已廣泛應(yīng)用于PEM燃料電池流場仿真[8]，本研究中利用CFD技術(shù)對所設(shè)計的三通管內(nèi)冷卻水的流動情況進行數(shù)值模擬，得到冷卻水流量分配及管路進出口壓降情況。

1.1 冷卻水流動控制方程

將管內(nèi)冷卻水的流動視為穩(wěn)態(tài)的、三維的、有黏性的、不可壓縮流體的湍流流動[9]，暫不考慮與管壁的熱交換及非穩(wěn)態(tài)項的影響[10]。描述冷卻水運動基本規(guī)律的控制方程為質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和k-ε雙方程[11]，控制方程采用直角坐標(biāo)系的張量形式表示為[12]：

(1)

采用修正的k-ε湍流模型(Realizable湍流模型)計算雷諾應(yīng)力，雷諾應(yīng)力用Boussinesq方式可表達為：

(2)

(3)

(4)

式中：p為雷諾應(yīng)力;Cε1、Cε2、Cε3、Cε4、Cμ、σp、σk、σε分別為各項經(jīng)驗系數(shù)。

1.2 幾何模型及物理模型

本文中燃料電池系統(tǒng)是由兩個電堆組成的雙堆系統(tǒng)。冷卻水流經(jīng)主散熱器后由水泵輸送至三通管入口主管路，經(jīng)兩根分支管道進入兩個電堆進行冷卻。從電堆流出的高溫冷卻水匯入出口總管后再送至主散熱器，由此形成一個冷卻系統(tǒng)的閉合回路。

圖1 原三通管幾何模型

設(shè)計的三通管進口主管路管徑40 mm，兩個出口支管管徑20 mm，其模型如圖1所示。考慮到三通管的設(shè)計特點，計算網(wǎng)格劃分以六面體網(wǎng)格為主體網(wǎng)格，過渡處采用四面體網(wǎng)格建立冷卻水道的流域[13]。采用去離子化處理的冷卻水溫度為55 ℃，密度為985.7 kg/m3,動力黏度為5.036 24×10-4Pa·s。根據(jù)實測進口流量設(shè)定入口速度為3 m/s，湍流強度4%；采用壓力出口邊界，出口壓力由實測數(shù)據(jù)給定。固體壁面采用無滑移邊界，即壁面上速度值為0[14]。對于動量方程采用二階迎風(fēng)差分格式，速度-壓力耦合采用SIMPLE算法和亞松弛方法進行處理[15]。

2 計算結(jié)果分析及優(yōu)化

針對優(yōu)化前模型進行CFD數(shù)值模擬，其計算結(jié)果如圖2～4所示(圖2中單位為kPa,圖3～4中單位為m/s)。分析圖2、3可知，原模型主管路底部為平底狀幾何結(jié)構(gòu)，流動方向因此發(fā)生數(shù)次劇烈的直角轉(zhuǎn)彎，在底部出口附近區(qū)域形成很大的靜壓差，造成較大的局部壓力損失。由圖4(圖中單位為m/s)可以看出，底部由于壓差作用形成一個很大的漩渦區(qū)域，因而造成能量耗散。從數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果來看，冷卻水進口流量為2.709 kg/s，兩個出口流量分別為1.353、1.356 kg/s，相差0.22%，均勻性很好，進出口流量滿足守恒條件；進出口壓降23.2 kPa，壓降較大，該壓降所造成的燃料電池冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的寄生功耗可達21.1%，因此需要對原三通管結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。

圖2 優(yōu)化前模型壓力云圖 圖3 優(yōu)化前模型速度云圖 圖4 優(yōu)化前模型底部速度矢量

2.1 優(yōu)化方案1

考慮到優(yōu)化前模型主管路底部的邊緣棱角較為明顯，容易造成較大的局部壓損，故優(yōu)化方案1中主管路底部采用光滑的圓弧過渡，即把底部做成外凸的半球體結(jié)構(gòu)，球面與主管路圓柱面相切。此外，適當(dāng)縮短管路出口位置與主管路底部的距離，并把兩個出流支管(相對于與主管路垂直的平面位置)向下傾斜5°～10°，以此進一步減少局部壓降損失。

優(yōu)化設(shè)計后的計算結(jié)果如圖5～7所示(圖5中單位為kPa,圖6～7中單位為m/s)。對比圖5、6可知，采用圓弧光滑過渡后，主管路底部的圓弧面起到了良好的引流作用，流動壓力變化程度較小，局部壓力損失明顯減少。由數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，冷卻水進口流量為2.705 kg/s，兩個出口流量分別為1.356、1.348 kg/s，相差0.59%，均勻性很好,進出口流量滿足守恒條件；進出口壓降14.6 kPa，相比于原方案具有明顯改善，此時三通管壓降占燃料電池冷卻水循環(huán)系統(tǒng)寄生功耗的比例為13.3%。但從圖7(圖中單位為m/s)可以看出，主管路底部依然存在一個較大的耗散漩渦，因此方案1仍有改進的空間。

圖5 方案1壓力云圖 圖6 方案1速度云圖 圖7 方案1速度矢量

2.2 優(yōu)化方案2

方案2在方案1的基礎(chǔ)上把主管路底部做成內(nèi)凹的半球體結(jié)構(gòu)，球面與主管路圓柱面相切，優(yōu)化后的計算結(jié)果如圖8～10所示(圖8中單位為kPa,圖9中單位為m/s,圖10中單位為m/s)。分析可知，此時主管路底部出口區(qū)域附近流動過渡較為平緩，較大的耗散漩渦已消失，僅在底部兩側(cè)邊角存在很小的耗散渦。由進出口統(tǒng)計結(jié)果可知，此時進、出口壓降為13.4 kPa，相比于方案1降低8.2%，有了進一步的改善；該壓降在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中的寄生功耗僅為12.2%，相比于方案1降低8.9%。冷卻水進口流量為2.709 kg/s，兩個出口分別為1.352、1.357 kg/s，相差0.37%，均勻性很好,進出口流量滿足守恒條件，因此，選擇方案2作為最終的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

圖8 方案2壓力云圖 圖9 方案2速度云圖 圖10 方案2速度矢量

圖11 優(yōu)化前后壓降結(jié)果對比

試驗中采用壓力傳感器監(jiān)測三通管進出口壓差，測試結(jié)果如圖11所示。可見仿真結(jié)果與實測值能較好地吻合，最大誤差僅為7.5%，且測試結(jié)果也表明方案2能更好地滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

針對某燃料電池電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的廢熱，設(shè)計三通冷卻水管路系統(tǒng)以分流冷卻水，并對管路的幾何結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后的兩種方案均滿足流量分配均勻性的要求，但方案2比方案1壓降減少8.2%，因而選擇方案2作為最終的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。最后通過試驗證實仿真結(jié)果的可靠性，且實測結(jié)果也表明方案2能更好地滿足設(shè)計要求。