波形结构冷却流道对燃料电池热管理系统性能影响研究

王 琦，徐晓明，司红磊，仝光耀

（1.镇江市高等专科学校交通学院，江苏镇江 212018；2.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013）

氢能是缓解人类当前能源危机的重要新能源之一，而质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为能够将氢气与氧气中的化学能转化为电能的重要装置，以及其低排放污染、高能量转化效率而受到了广泛的关注。因此，质子交换膜燃料电池在各个领域均有着广泛的用途，包括固定设备与移动载具。当质子交换膜燃料电池处在较高的工作温度时，需要开启热管理系统进行温度调节，以减少低温燃料电池内部出现膜干或水淹的可能性，保证质子交换膜燃料电池的稳定高输出功率。

对燃料电池热流道进行结构优化是提升燃料电池输出性能的有效方式，其中包括对进气流道与冷却流道的性能改进。李升进等［1］在传统的蛇形流道中添加了挡板，该种设计增强了肋条下方的对流效应，从而提高了肋条下方液态水的去除与氧气的传输效率，因而提升了电池的性能。朱万超等［2］对蛇形流道结构进行了变形，尝试改善蛇形流道存在的反应气体分布不均、较高的压降等问题，通过对不同的渐变流道进行模拟分析与数值比较，分析了其对排水性能、反应气体分布均匀性、压降的影响。李伟卓等［3］建立了一个三维两相的稳态低温质子交换膜燃料电池模型，以研究不同位置的挡块高度对电池性能的影响程度，并采用全因子实验设计法对不同挡块参数进行了灵敏分析。李宇婷等［4］研究了采用仿雪花状新型流场的三维常温单相质子交换膜燃料电池模型，并与传统的双蛇形流场质子交换膜燃料电池进行了多方位的比较，包括极化曲线、局部氢氧浓度曲线、电流密度变化等，其峰值功率达到了后者的1.45 倍。罗鑫等［5］探索了4种不同的流道形式，包括单蛇形流道、指交流道、双边指交单蛇形流道、单边指交单蛇形流道，分析了氧气浓度分布的均匀性，在以上的几种流道中，以单边指交单蛇形流道的性能最佳。Najmi等［6］研究了不同流场下进气参数改变对质子交换膜燃料电池性能的影响，发现波形流场的使用效果受进气参数的影响较为明显。

同时，对冷却流道的几何形状进行改变也会影响燃料电池输出功率。杜益开等［7］开发了一种单冷却流道双膜电极电堆结构，对冷却流道的结构进行简化。尽管最终燃料电池的输出电压有所降低，但堆体的体积有所减小。韩凯等［8］分析了蛇形冷却流道不同冷却液进出口以及冷却流道圆角对热管理系统的影响，发现流道内部的圆角显著降低了流道内部的压降，且不同冷却流道间逆流的效果会更好。李云鹏［9］讨论了冷却流道内部的温度变化，同时讨论了流速对出口压降以及温度的影响。

本文建立了三维稳态质子交换膜燃料电池模型，提出了一种波形结构冷却流道，并进一步讨论了波形结构的存在对压强、流速、温度乃至电流密度的影响。在此基础上，提出了质子交换膜燃料电池冷却流道几何形状的优化方案与改进意见。

1 数学模型

由于燃料电池内部发生的过程较为复杂，故采用以下守恒方程对燃料电池内部发生的电化学反应过程、流体流动状态变化、传热传质过程、电流传导进行模型搭建。

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρg为混合气体密度；ug为流体流速；MH2为氢气的摩尔质量；MO2为氧气的摩尔质量，MH2O为水的摩尔质量；F为法拉第常数；J为电流密度；P为压力；μg为气体动力黏度；KGDL/CL为对应位置的渗透率；C为比热容；T为温度；keff为有效热导率；Rohm为欧姆电阻；hreact为反应热；ηact为极化电压；hL为水的焓变热。

采用以下守恒方程对燃料电池中液体的变化过程进行描述：

式中：ε为孔隙率；ρl为液体密度；s为饱和度；K为绝对渗透率；Kr为相对渗透率；μl为液体动力黏度，hpc为蒸发或冷凝速率；psat为水的饱和气压。

电荷守恒方程：

巴特勒-褔尔默方程：

式中：a为有效活化面积；i为参考交换电流密度；A与C为摩尔浓度；α为转移系数；γ浓度依赖性。

2 仿真模型搭建

2.1 几何模型构建

本次研究所采用的模型如图1 和图2 所示，根据不同波峰数量分为4 种，具体如其总体几何尺寸均为6.80 mm×2 mm×70 mm。其中，冷却流道位于进气流道的正上方，其更详细的几何参数见表1，阴极与阳极进气流道相互正对且位于质子交换膜的两侧。

图1 单流道燃料电池几何模型Fig.1 Geometry model of a single-channel fuel cell

图2 冷却流道的几何形状Fig.2 The geometry of the cooling channel

表1 燃料电池冷却流道的波形参数Tab.1 Waveform parameters of the fuel cell cooling channel

2.2 网格划分

为了保证仿真计算的精度，燃料电池所有的零部件均采用六面体网格进行划分，该种划分方式是通过面网格扫掠完成的。冷却流道具体的划分结果如图3 所示，每个模型的总网格数量均在610 000左右。对于燃料电池中如催化剂层等较细微的部件，网格则进行了适当的加密，以保证仿真精度足够高。

图3 冷却流道的网格划分Fig.3 Grid division of cooling channel

2.2.1 边界条件设定及参数设置

本文中的模型为稳态的两相流模型，且由于流道内流体的流速较小，故可以认为流体在其中的流动状态为层流，所有流道内部的壁面均为非滑移壁面。而供给的气体本身被认为是理想气体混合物，并且是不可压缩的。

燃料电池中所有的零部件均被假设为各向同性的，还考虑了双极板与膜电极之间的接触电阻且忽略漏电流的产生。同时燃料电池端面的电压设置在了0.5 V 这个相对居中的位置上。仿真中其余的参数设置可以从表2中了解到。

表2 燃料电池的其余边界条件与设置参数Tab.2 The remaining boundary conditions and setting parameters of the fuel cell

3 结果与讨论

3.1 冷却流道内流速变化

从图3 中可以看出，流道中靠近壁面位置处的冷却液流速有明显的降低，而在冷却流道中心位置处的流速往往是最高的。通过对比图4中4种冷却流道的情况，可以发现波形的引入使流速在波谷位置处有所提高，这与流道截面的收窄有关。而这种波谷的数量越多，冷却液流速增加的位置也就越多，即图4中红色位置越多。

图4 冷却流道内部流速变化Fig.4 Flow velocity change inside the cooling channel

3.2 冷却流道内压力变化

压力是燃料电池冷却流道设计需要考虑的重要参数之一，高压降的冷却流道往往需要更高的水泵扬程，从而增加了寄生功率。不同几何形状冷却流道的压降有明显的不同，具体如图5 所示。对比图中的压降可知，波峰数量越多的流道其压降也越大。并且冷却液在经过每个波谷时都会产生较大的压降，如四波峰流道在波谷附近5 mm 范围内压降约200 Pa，而对应直冷却流道压降约在100 Pa。

图6 取自冷却流道的几何中心位置，且图5 中的现象可以在图6 中得到进一步的表现。观察图6可以发现，压力的波峰与波谷的数量与冷却流道几何中波峰与波谷的数量是相同的。且引入波形变化的流道压降均会高于直流道。在文中假设情况下，每增加两个波峰，最大压力增加了约100 Pa。

图5 冷却流道内部压力变化Fig.5 Internal pressure change of the cooling channel

图6 冷却流道内部中线位置沿流道长度方向上的压力变化Fig.6 The pressure change along the length of the cooling channel at the center line of the cooling channel

3.3 燃料电池内温度变化

在图7（a）中，由于层流的效应，直冷却流道内中部的冷却液未充分起到冷却效果，而波形的存在将大大缓解这一现象。从图7 中可以看出，波形增加了冷却流道出口位置处冷却液的温度。并且从图8 中可以看出，这种传热效果的提升是非常明显的。波峰数量更多的冷却流道内温度较高冷却液的温度即使遇到中部温度较低的液体而降低时，其温度也几乎始终高于波峰数量少的冷却流道内部冷却液的温度。

图7 冷却流道内部温度变化Fig.7 The internal temperature change of the cooling channel

图8 冷却流道内部中线位置沿流道长度方向上的温度变化Fig.8 The temperature change of the inner center line of the cooling channel along the length of the channel

由图9 可知，冷却液温度的上升降低了燃料电池中催化剂层的温度。同时对比图9（a）与图9（b）、图9（c）、图9（d）可以发现，冷却流道的温度波动也使催化剂层中的温度出现了有规律的波动现象。但这种波动幅度会有所减弱，可以通过观察图10发现。且波峰数越多，温度的波动幅度越小，总的温度也将越低。在图10 中，四波峰冷却流道的最终出口温度与直冷却流道的最终出口温度几乎相同，但中部部分位置上温度有0.2 ℃的降低。但六波峰与八波峰流道的最终出口温度均降低了0.5 ℃，并且部分中部位置的温度降低更多，可见波形对冷却作用的提升。

图9 阴极质子交换膜处温度变化Fig.9 Temperature change at the cathode proton exchange membrane

图10 阴极质子交换膜处温度变化Fig.10 Temperature change at the cathode proton exchange membrane

3.4 燃料电池内电流密度变化

燃料电池内部的水淹与膜干会对燃料电池的输出功率产生不良的影响，故通过控制燃料电池温度的变化来实现对水含量的间接影响，从而提升燃料电池的输出功率。在图11 中，由于入口处的吹扫作用与反应产物的水较少，进而引起了电流密度的下降。波峰数量越多，对该处电流密度下降的缓解作用越好。可见，适当地增加燃料电池冷却流道内的波峰与波谷数量将有助于燃料电池性能的提升。

图11 阴极质子交换膜处电流密度变化Fig.11 Current density changes at the cathode proton exchange membrane

4 结论

（1）本文通过多相流仿真技术模拟了含不同几何形状冷却流道的燃料电池内部物性参数的变化规律，从而为燃料电池堆的设计制造提供建议，以最大限度减少膜干或水淹等不良现象引起的电池性能下降。

（2）对燃料电池冷却流道进行了结构上的优化，利用波形变化减少了边界层对传热的阻碍，从而有效地降低了催化剂层的温度，提升了部分位置上的燃料电池的电流密度。

（3）波峰数量的增加可以更大程度上降低燃料电池的温度，提升燃料电池的输出功率。但波峰数量的增多也加大了泵功率的损耗，故波峰的数量应当由实际情况来决定，且波峰应当更多地分布在温度过高的位置处。