韓 凱, 唐景春, 張 健, 蘇建徽

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)具有工作溫度低、環(huán)境友好、比功率大、啟動迅速等優(yōu)點[1-2]。燃料電池在運行過程中產(chǎn)生的余熱主要通過3種方式排出,即自身的熱輻射、電池內(nèi)水汽化散熱和冷卻水對流換熱。文獻(xiàn)[3]對25 kW電堆系統(tǒng)進(jìn)行的散熱研究表明,電池自身熱輻射約200 W,電池內(nèi)部水汽化散熱約3 kW,冷卻水對流換熱占總散熱的80%左右。文獻(xiàn)[4]指出水冷型燃料電池冷卻流道應(yīng)滿足3個要求:電池高效穩(wěn)定運行的溫度應(yīng)控制在60～75 ℃范圍內(nèi);冷卻板溫度梯度要小,冷卻水進(jìn)出口溫差小于5 K;冷卻水泵的功耗要小。文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了6種冷卻流道的傳熱優(yōu)化研究。文獻(xiàn)[6]針對高功率電池堆,數(shù)值計算了冷卻板表面溫度分布及冷卻水的進(jìn)出口壓降。

2 kW燃料電池主要用于小型便攜式電源,其自身體積小、結(jié)構(gòu)緊湊,要求具有較高的輸出電壓,散熱系統(tǒng)具有較高的熱流密度和較低的功耗。因此,本文將針對小尺寸冷板進(jìn)行其傳熱和流動特性分析,優(yōu)化冷板內(nèi)部流道結(jié)構(gòu),提高冷板表面溫度的均勻性,降低冷卻水泵的功耗。

1 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

1.1 數(shù)學(xué)模型

(1)

(2)

(3)

其中,ρ為流體密度;μ為流體黏度;cp為流體定壓比熱;k為流體導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2 邊界條件

燃料電池堆由單電池串聯(lián)組成,單電池在運行過程中產(chǎn)生的熱量[7]為:

(4)

目前大多采用的冷卻方式是在冷卻板上開冷卻水流道,以便將余熱帶出電堆外[8]。因為冷卻板布置在2片單電池之間,為了簡化計算，取冷卻板兩側(cè)的熱流密度相同,電池運行中的余熱量約有80%由冷卻水帶出,所以冷卻水帶走的熱量及熱流密度可以表示為:

(5)

(6)

其中,U為單電池輸出電壓,取U=0.6 V;I為單電池輸出電流密度,根據(jù)燃料電池的極化曲線[9-11],取I=0.96 A/cm2;-Δhf為水的焓值,取-Δhf=237.3 kJ/mol;F為法拉第常數(shù),F=96 487 C/mol;s為冷卻板的單側(cè)活性面積,取s=43 cm2,計算可得熱流密度q=2 500 W/m2。其他條件設(shè)置如下:v為進(jìn)口流速,取v=0.1、0.2、0.3、0.4 m/s。

2 幾何模型及計算網(wǎng)格

根據(jù)流動換熱原理設(shè)計的4種冷卻流道形式結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 4種不同形式的冷卻流道

針對2 kW燃料電池的工作特性,在小尺寸冷板表面布置2條蛇形流道。其中A型、C型流道進(jìn)出口形式相同,B型、D型流道進(jìn)出口形式相同;為了便于分析流道壓力損失,A型、B型流道采用90°直角型彎道,C型、D型流道采用90°圓弧形彎道。具體參數(shù)如下:冷板的表面積s=43 cm2;冷卻流道寬b=2 mm;冷卻流道高h(yuǎn)=1 mm;水力直徑de=1.33 mm;冷卻板的厚度d=2 mm。在CFX軟件中建立冷卻板模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為了提高計算精度及節(jié)約計算時間,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目為1 840 000。

3 結(jié)果分析

3.1 熱分析

4種冷卻流道在不同流速下冷卻板表面最高溫度如圖2所示。從圖2可以看出,4種冷卻方式下冷卻板表面最高溫度均隨著進(jìn)口流速增大而減小;在相同流速下采用A型、C型流道的冷卻板表面最高溫度基本是相同的,采用B型、D型流道的冷卻板表面最高溫度也基本相同;但采用B型、D型流道的冷卻板表面最高溫度要低于采用A型、C型流道的冷卻板表面最高溫度。

圖2反映出當(dāng)流速由0.10 m/s增大到0.20 m/s時,冷卻板表面最高溫度下降較快;流速在0.30～0.40 m/s時,冷卻板的表面最高溫度在336～339 K之間,符合燃料電池對于最高溫度的要求。

圖2 不同流速冷卻板表面的最高溫度

不同流速下4種冷卻板表面的最大溫差如圖3所示,其中冷卻板表面溫差的大小可以反映溫度分布的均勻性。

圖3 冷卻板表面最大溫差

從圖3可以看出,隨著流速的增大,冷卻板表面最大溫差均會變小,說明冷卻板表面溫度分布均勻性提高;但當(dāng)流速增大到一定程度時,溫差值越來越不明顯;且在相同流速下,采用B型、D型流道的冷卻板表面最大溫差值比采用A型、C型流道的冷卻板表面最大溫差值低1～2 K。由圖3可知,當(dāng)流速在0.30～0.40 m/s時,冷卻板表面最大溫差控制在6 K以內(nèi),這對于提高質(zhì)子交換膜燃料電池的性能和壽命都有很大的影響。

3.2 壓力分析

在設(shè)計冷卻流道時,進(jìn)出口壓降也是需要考慮的重要因素。在滿足冷卻要求的前提下,壓降越小,水泵所耗功率就越小,進(jìn)而可以提高燃料電池的發(fā)電效率[12]。不同流速下進(jìn)出口壓降如圖4所示。

圖4 不同流速下冷卻流道進(jìn)出口壓降

從圖4可以看出,4種冷卻流道均隨著進(jìn)口流速增加而壓降變大,但兩者之間并不成線性關(guān)系;且相同流速時,A型、B型流道的壓力損失基本相同,C型、D型流道的壓力損失也基本相同,但A型、B型流道的壓力損失與C型、D型相比明顯大很多;在流速為0.30 m/s時,C型、D型流道的壓力損失在900 Pa,而A型、B型流道的壓力損失達(dá)到了1 300 Pa。

4 實驗驗證

4.1 實驗方案設(shè)計

實驗系統(tǒng)如圖5所示,由控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)組成。

在保證輸出電壓的前提下,為避免電池包長度偏長,單片電池一致性變差,散熱困難,2 kW燃料電池由80片單電池組成,額定輸出電壓為48 V,輸出電流為42 A,單點反應(yīng)活性面積為43 cm2。采用CAN控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測,檢測點包括輸出電流/電壓、氫氣入口壓力、氫氣進(jìn)口流量、氧氣進(jìn)口流量、氣體濕度、冷卻水流量、冷卻水進(jìn)出口溫度、冷卻水進(jìn)出口壓力等。同時為了精確測量電池內(nèi)部溫度,對冷卻板進(jìn)行定制,埋設(shè)多點T型熱電偶進(jìn)行溫度測量[13]。冷卻水散熱器的風(fēng)扇風(fēng)速由變頻器進(jìn)行控制;氫氣經(jīng)過高壓罐減壓后,供應(yīng)壓力為0.1 MPa,氧氣的供應(yīng)壓力為0.09 MPa。燃料電池冷卻板采用D型流道,在進(jìn)口流速分別為0.3、0.4 m/s時進(jìn)行實驗。

1.過濾裝置 2.電磁閥 3.風(fēng)機 4.氣體流量計 5.氧氣加濕器 6.氫氣加濕器 7.減壓閥 8.水泵 9.液體壓力傳感器 10.液體流速傳感器 11.液體溫度傳感器 12.背壓閥 13.冷凝器

4.2 實驗結(jié)果

燃料電池實驗工況參數(shù)見表1所列。

表1 實驗工況參數(shù)

進(jìn)口流速為0.30、0.40 m/s時參數(shù)的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比見表2所列。

表2 實驗與仿真結(jié)果對比

5 結(jié) 論

本文針對2 kW燃料電池工作特性,利用CFX模擬了不同流速下4種冷卻流道的流動和傳熱,并且經(jīng)過實驗驗證,得到以下結(jié)論:

(1) 冷卻水進(jìn)口流速在0.10～0.40 m/s時,B型、D型流道的冷卻板表面最高溫度要比A型、C型流道的冷卻板表面最高溫度低0.5～2.0 K。在進(jìn)口流速為0.30 m/s時,B型、D型流道的冷卻板最高溫度可控制在339 K左右,處在燃料電池最佳溫度區(qū)間范圍內(nèi)。

(2) 冷卻水進(jìn)口流速在0.10～0.40 m/s時,采用B型、D型流道的冷卻板表面溫度的分布均勻性更好。在流速為0.30 m/s時B型、D型流道的溫差可控制在6 K以內(nèi)。

(3) 圓弧形彎道可以有效降低冷卻流道的壓力損失,進(jìn)而降低水泵功耗,提高燃料電池的輸出效率。進(jìn)口流速為0.30 m/s時,A型、B型流道的壓力損失在1 300 Pa左右,C型、D型流道的壓力損失在900 Pa左右,降低了30%。