PEMFC新型冷却流道的数值模拟

2024-02-17鞠洪玲

电源技术 2024年1期

黄浩，鞠洪玲

(武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉 430070)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将燃料的化学能通过反应直接转化为直流电和热能的装置。它不受卡诺循环的限制，具有能量转化率高、环保、启动快、噪音低等优点[1-2]。

燃料电池在运行期间会产生大量的热量。为了提高PEMFC 的稳定性和耐久性，需要均匀的温度分布和低的温度变化[3-4]。质子交换膜燃料电池堆运行期间可以使用许多冷却方式，目前通常采用空气冷却或液体冷却，由于空气冷却能力有限，大型质子交换膜燃料电池堆通常通过液体冷却，其中液态水是最常用的冷却介质，通过冷却板中的冷却通道循环[5-8]。冷却板的主要作用是通过降低最高温度来防止PEMFC 过热，并为PEMFC 提供更均匀的温度分布。

冷却液在冷却流道内流动走向的不同会导致不同的冷却效果[9]。平行流道和蛇形流道是冷却流道中常见的两种流道。经研究表明，蛇形流道冷却板的冷却效果优于平行流道冷却板，但压降高于平行流道冷却板[10]。鉴于此，Wang 等[11]将流场的进出口设计成蛇形，以提高流动速度，增强换热效果。然而，这种设计没有考虑不同流道结构的影响，会导致流场局部过热，压降增大。Yu 等[12]研究了采用多通道蛇形流场作为冷却通道的冷却板的性能，以多通道蛇形流场的最大温度和温度均匀度来评价冷却效果，与常规的蛇形流场相比有了明显的改善。徐鑫等[13]设计了一种新型冷却流道，与传统的平行流道和蛇形流道进行对比，通过数值模拟得到三种冷却流道在不同冷却液入口流量及不同热流密度下的冷却性能。

在以往冷却流场性能模拟的研究中，质子交换膜燃料电池产生的热量通常以恒定的均匀热流的形式施加到冷却流场。但是，在真实模式下，燃料电池在冷却流场上产生的热量不会均匀分布。因此，模拟具有冷却流场的质子交换膜有助于获得更合理的冷却流场设计。在以往的研究中，仿生流道结构多应用于电池反应气体流道。例如，ZHANG 等[14]将蜂窝仿生流道与传统蛇形流道进行对比，模拟结果表明，新型仿生流道的电流密度提升10.4%，而且具有更均匀的氧浓度分布。Damian-ascencio 等[15]通过调整分支数目和倾斜角度，研究得一级分叉角度74°、二级分叉角度37°时，流场能够有效排出流道中水分；同时研究了由质量流所产生的熵，结果为通过增加分支数，反应物分布更均匀。谢启真等[16]研究发现叶脉型仿生流道主流与支流间的夹角为30°时，叶脉型仿生流道对PEMFC 阴极性能的改善效果最佳。

目前仿生研究多集中在进气流道，不同仿生研究对电池性能的提升不同，但大多是优化了反应物和压力分布，降低压降损失，使电池内部电流密度分布更加均匀，而目前仿生流道在冷却流道上使用的少。本文以植物叶脉为原型，通过仿生相似性原理设计出基于叶脉结构冷却流道的新型PEMFC 冷却流场板，与传统的平行和蛇形冷却流道冷却板进行对比，通过数值模拟得到三种冷却板的冷却性能。以冷却流道进出口压差、最高温度、平均温度和温度均匀指数为评价指标，定量评估新型冷却流道在电堆中的冷却性能。

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[17]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。

连续性方程：

动量守恒方程：

组分守恒方程：

传热分为流体区域的热对流和多孔介质及固体区域的热传导，其控制方程如下：

式中：ρ和v分别为流体的密度和速度矢量；ε 为孔隙度；κ 为多孔介质的渗透率；ρ为混合物密度；μ 为动力粘度；p为压力；为速度矢量；Yi为第i种物质的质量分数；Dieff为气体混合物中第i种物质的有效扩散系数；Cp为定压比热容；keff为有效热导率；Qh为热量源项。

电荷守恒方程[17]：

阳极和阴极的交换电流密度，可以用Bulter-Volumer方程[18]计算:

式中：jref为参考交换电流密度；A为活性比表面积；γ为相关系数；α 为传递系数；ha和hc分别为阳极和阴极的电位；F为法拉第常数；R为通用气体常数；下标a为阳极，下标c为阴极。

2 模型构建

2.1 PEMFC 单电池几何模型

质子交换膜燃料电池主要由双极板、气体通道、气体扩散层、催化剂层、质子交换膜和冷却流道等组成。本文以0.2 cm×5 cm 的质子交换膜燃料电池[19]为原型，构建单电池模型，以如下实验参数为初始条件：阳极气体流速0.3 mL/s，阴极气体流速0.5 mL/s，阴极气体压力0.505 MPa，阳极气体压力0.303 MPa，运行温度323 K。模拟得到电流密度-电压(J-V)性能曲线，并与实验值[19]对比，验证模型的准确性，如图1所示。

图1 电压随电流密度变化的对比验证

以此单电池为基础，构建5 cm×5 cm 的质子交换膜燃料电池堆模型，如图2 所示，文章中模型冷却水进出均如图2(a)所示。除了传统的平行和蛇形冷却流道[图3(a)、(b)]外，还通过仿生相似性原理设计出基于叶脉结构的新型PEMFC 冷却流场板，如图3(c)所示。模型的详细几何参数如下：电池长宽均为5×10－2m，气道宽高及间距均为1×10－3m，阴阳极气体扩散层厚度均为3×10－4m，阴阳极催化层厚度均为3×10－5m，质子交换膜厚度为1.75×10－5m，冷却流道宽高及间距均为1×10－3m。其中叶脉冷却流道主脉与第一支脉之间的间距Ⅰ为1.5×10－2m，三支脉的间距Ⅱ、Ⅲ分别1.25×10－2和1.25×10－2m。本文中阴阳极的进气流道尺寸均与蛇形冷却流道一致。

图2 质子交换膜燃料电池几何模型

图3 冷却流道的几何形状

2.2 模型简化

为了提高运算效率，在尽可能保证模型准确性的前提下，做出了以下基本假设：(1)PEMFC 处于稳定运行状态；(2)反应气体是不可压缩的，视为理想气体；(3)流体在流场中为层流流动；(4)忽略重力的影响；(5)各部分材料物性参数具有各向同性；(6)冷却液入口流量和温度不变，不考虑流速的变化和入口处的热量传递。

2.3 物性参数及边界条件

模型各部分的物性参数及相关模拟参数由表1给出。求解控制方程还需要给定相应的边界条件。阳极的双极板上表面设置为接地，阴极的双极板下表面设置为电池电压，电池内流道左右两侧设置为周期性条件，其余边界为电绝缘和热绝缘。阳极和阴极入口流量分别为1.240 9×10－5和1.934 7×10－4kg/s，阴阳极进气温度为343.15 K，阳、阴极气体流动方向相同。阴极入口气体为空气，阳极气体摩尔分数比为H2∶H2O=97∶3。使用去离子水作为冷却液，冷却液流向与反应气体相反，如图2(a)所示，冷却液入口温度为333.15 K，流速为0.4 m/s。对于传热和传质，流体出口为对流边界条件；对于流动，流体出口为压力出口边界条件。

表1 模拟参数

3 结果及分析

3.1 冷却流道内压力变化

燃料电池冷却流道进出口的压差是设计需要考虑的重要参数之一，高压差的冷却流道往往需要更高的水泵功率，从而增加了寄生功率[21]。不同几何形状冷却流道的压力分布有明显的不同，具体如图4所示。由图4 可以看出，三种冷却流道压力均为从流体入口到流体出口逐渐降低。

图4 冷却流道压力分布

如图5 所示，通过伯努利方程计算在冷却液入口温度为333.15 K，流速为0.4 m/s 的条件下，平行冷却流道压差为396.7 Pa，蛇形冷却流道压差为10 290.5 Pa，仿生叶脉形流道压差为331.9 Pa。很明显，流道进出口间距越长，所造成的压力损失越大，平行冷却流道和仿生叶脉形流道的压差小于400 Pa，且蛇形流道压差远大于其他两种流道，说明平行和仿生叶脉形流道在压力分布上优于蛇形流道。

图5 冷却流道压差

3.2 冷却性能分析

在燃料电池双极板中，冷却流道形状的改变，会改变整个双极板中的温度分布，从而对燃料电池堆的热管理产生很重要的影响。温度均匀性指数UT[22]是流场温度均匀性的重要指标。低温度均匀性指数表明冷却板具有良好的冷却性能。其定义如下式：

式中：V为体积；Tavg为平均体温度。

冷却板表面上的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6 为冷却流道中轴面的速度分布，将其与图7 的冷却板温度分布云图相结合可以看出靠近冷却流道进口处的温度较低，冷却板的最高温在靠近冷却液出口的一侧，而且由于反应物进气为蛇形流道，所以平行和叶脉形冷却流道并没有成对角线对称分布，在靠近进气侧温度比出气侧的温度较高。冷却板表面的温差可以部分反映温度分布的均匀性，平行、蛇形和仿生叶脉形冷却流道双极板的温差分别为17.3、14.7 和13.5 K，仿生叶脉形流道的双极板的温差明显要低于其他两种冷却流道的双极板。

图6 冷却流道中轴面冷却水速度分布

图7 冷却板温度分布

图8 所示为三种冷却流道形式冷却板的冷却性能，平行、蛇形和仿生叶脉形三种冷却流道的最高温度分别为350.6、347.9 和346.6 K。仿生叶脉形冷却流道能有效降低燃料电池表面的最高温度，避免燃料电池堆中出现局部过热的情况。平行、蛇形和仿生叶脉形冷却流道双极板的平均温度分别为345.6、342.4 和342.2 K，较低的平均温度说明仿生叶脉形冷却流道的冷却效果优于其他两种常见的冷却流道。图8 展示出了不同流道冷却板表面温度的温度均匀性指数。可以看出，平行、蛇形和叶脉形流道的温度均匀性指数分别为3.19、3.20 和2.67 K。仿生叶脉形流道显示了最低的温度均匀性指数，表明仿生叶脉形设计有利于PEMFC 堆的冷却。