质子交换膜燃料电池冷却流道的设计与分析

罗马吉，傅立运，詹志刚，罗志平

(1.武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070;2.武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，湖北武汉430070)

燃料电池是一种能量转换装置，它按电化学原理，等温地将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能［1］。在种类众多的燃料电池中，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)是一种环境友好、转化效率高的能源转换装置，具有室温快速启动、比功率和比能量高等优点，最有希望成为汽车和居民用能源的替代品之一［2］。

PEMFC作为一种低温燃料电池，典型的工作温度范围为60℃ ～85℃，在运行中会产生大量的热，主要是由化学反应和水的凝结生成［3－4］，并且散热温差很小，不充分或者无效的电池冷却会导致整个或者局部电池温度过高，使得膜脱水、收缩、褶皱甚至破裂，对于电池的性能和寿命都有很大的影响［5］。燃料电池的冷却介质主要有水和空气两种，大功率下一般采用水冷［6］，笔者主要研究的是水冷燃料电池的冷却板。冷却板中的冷却水能够带走反应产生的多余热量，冷却流道的设计对堆的散热有很大的影响，良好的设计可以使堆内温度分布更均匀，在较低的冷却水流量下带走更多的热量，减少水泵的输出功率，提高燃料电池的效率。笔者设计了4种形式的冷却流道，并采用STAR－CD软件进行CFD模拟分析。

1 几何模型及计算网格

燃料电池堆由多个单电池组成，而每一片单电池由膜电极和双极板组成，对于冷却板的布置，可以将薄的流场板插入燃料电池中，或者在双极板中制作额外的流道，以便将热排出堆外［7］。图1为质子交换膜燃料电池堆结构示意图。根据传热学原理设计了A、B、C、D 4种形式的冷却流道，如图2所示，其中A为并行流道，B、C和D均为蛇形流道。4种冷却流道的蛇形弯道数不同，弯道数越多流体在冷却板中的换热面积越大，换热就会被加强;同时在弯道处壁面附近热流体与中心处温度较低的流体有一个混合的过程，弯道越多混合效果越好，这样也能够加强换热。每块板有4个进口和4个出口，上表面积为50 cm2，冷却流道宽2 mm，高1 mm，计算得流道的水力直径为1.33 mm，整个板的厚度为2 mm。

图1 质子交换膜燃料电池堆结构示意图

在STAR－CD中建立冷却板的几何模型并划分网格，如图3所示。为了提高计算精度并节约计算时间，固体和流体部分均采用六面体网格，网格总数为64万。

图2 4种不同形式的冷却流道结构

图3 计算模型网格划分

2 数学模型及边界条件

2.1 数学模型

在计算中做了如下假定:

(1)在进口处流量均匀，忽略流速的变化;

(2)假定物性参数是恒定的，不随温度变化;

(3)均匀热流密度。

固体传热控制方程为:

冷却流体流动为层流，不可压缩牛顿流体;kg为固体导热系数。

对于介质为水的冷却液体，其质量、动量、能量的控制方程描述如下:

式中:ρ为流体密度;μ为流体粘度;cp为流体定压比热;k为流体导热系数。

2.2 边界条件

计算了A、B、C、D 4种流道在进口速度分别为 0.05 m/s、0.10 m/s、0.15 m/s、0.20 m/s、0.25 m/s时的流动传热，则在进口处对应的雷诺数分别为 14、28、42、56、70，同时计算得到不同流速下对应的流量分别为24 cm3/min、48 cm3/min、72 cm3/min、96 cm3/min、120 cm3/min。由于模拟燃料电池在最大工况下的冷却效果，进口温度设为333 K，水的比热为4 179 J/(kg·K)，导热系数为65.9 W/(m·K)，冷却板固体比热为691 kJ/(kg·K)，导热系数为 85.5 W/(m·K)。

冷却流道在两片单电池之间，运行中电池产生的热量会通过反应气体和冷却水带走，假设有80%的热量由冷却水带走，热量通过固体的上下表面流入，那么冷却板带走的热量Q及热流密度q计算公式如下［8］:

式中:I、V为单电池最大功率输出时的电压和电流，分别取为41 A 和0.47 V;Δhof为水的低热值，取为237.3 kJ/mol;F为法拉第常数，取为96 487 C/mol;A为一侧固体表面积，取为50 cm2。计算得q约为2 489W/m2，计算中取2 500W/m2。

3 结果与分析

3.1 热分析

冷却板上的表面最高温度对质子交换膜燃料电池性能和寿命都有很大的影响。图4为4种形式的冷却流道在不同流量下的冷却板表面最高温度，其中从冷却板表面进入的热流量相同，冷却水进口温度都为333 K，可以看出在相同的流量下A型流道的冷却板表面最高温度总大于B、C、D型流道的冷却板的表面最高温度。在流量较低时(如24 cm3/min)B型流道的冷却板表面最高温度略高于C、D型流道的冷却板表面最高温度，但随着流量增大其表面最高温度趋于一致，当流量高达120 cm3/min时B、C、D 3种流道形式的冷却板的表面最高温度都为337 K。

图4 不同流量下4种流道形式的冷却板表面最高温度

图5 显示了在冷却水流量为120 cm3/min时4种不同流道形式的冷却板表面温度的分布云图，可以看到进口附近的温度最低，高温区域都分布在出口一侧。A型流道的冷却板的最高温度在出口两侧靠近板的边缘，会使电池局部过热。图6显示了4种形式的冷却流道在不同流量下的表面温差，冷却板表面的温差可以反映温度分布的均匀性。可以看出A型流道的冷却板的温度分布均匀性最差，在流量为24 cm3/min时，B、C、D型流道的冷却板的表面温差分别为11.6 K、12.7 K、11.2 K，C型流道的冷却板的温差要高于B、D型流道的冷却板。在流量为96 cm3/min和120 cm3/min时，B、C、D型流道的冷却板的表面温差都为4.6 K和4.0 K，A型流道的冷却板在流量为120 cm3/min 时的表面温差为4.9 K，高于 B、C、D型流道的冷却板在流量为96 cm3/min时的温差，可见A型流道的冷却板温度均匀性较差。

图5 流量为120 cm3/s时冷却板表面温度分布云图

图6 4种冷却流道的冷却板在不同流量下的表面温差

3.2 压力损失分析

在设计冷却流道时，进出口的压降也是需要考虑的重要因素。在满足冷却要求的情况下，压降越小，流动阻力和水泵所耗功率就越小，可提高燃料电池的发电效率［9－10］。不同流量下进出口压降如图7所示，由图7可知随着流量的增加，压降变大，但它们之间并不是线性关系，流量越大，压力损失增加得越多。在4种流道形式的冷却板中，A型流道的冷却板采用了并行流道，此时压降最小，在流量较高时，B型流道的冷却板的进出口压降也远小于C、D型流道的冷却板。在流量达到120 cm3/min时，D型流道的冷却板的进出口压降为2 000 Pa，B型流道的冷却板只有820 Pa。

图7 不同流量下进出口压降

4 结论

笔者用CFD的方法模拟了不同流速下4种冷却流道的流动和传热，通过计算得到如下结论:

(1)增大流量可以带走更多的热量，冷却板的温度均匀性更好，但是同时也会增加进出口压差，使水泵消耗更多的电能;

(2)冷却水流量很大时，4种流道冷却板的表面温度最高，表面温差相差不大;在流量较小时，固体表面温度最高，表面温差有明显的区别;

(3)B型流道的冷却板中进出口的压降远小于C、D型流道的冷却板，但传热效果与C、D型相同，故B型流道的冷却板的设计更合理。

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