燃料電池N型擾流式冷卻流道設計及傳熱分析

劉增鵬，劉 禎

(1.湖北文理學院純電動汽車動力系統設計與測試湖北省重點實驗室，湖北襄陽 441053；2.湖北文理學院汽車與交通工程學院，湖北襄陽 441053)

質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)不受卡諾循環限制，其能量密度也遠高于鋰電池，且發電過程無污染、清潔高效，故而在航空航天、儲能發電和汽車交通等領域得到廣泛應用。然而，PEMFC 仍存在穩定性相對較差、制造成本高等不足，這就限制了其廣泛應用[1]。在諸多因素中，熱管理問題是限制其應用的主要因素之一。PEMFC 的能量效率通常不會超過50%，即發電功率為100 kW 的PEMFC 發熱功率最低也有100 kW[2]。PEMFC 在工作過程中工作溫度過高，易造成溫度分布不均勻，嚴重時甚至會導致局部熱點等問題，對PEMFC 造成不可逆損傷[3]。PEMFC 由于其自身局限，80%的熱量要依靠冷卻水帶走[4]。隨著PEMFC 功率密度的需求越來越高，對熱管理系統的要求愈發嚴格，設計合適的冷卻流道以增強換熱效率就顯得十分必要。

為提升冷卻流道的散熱能力，國內外學者進行了大量研究。對等截面流道的研究均表明平行直流道傳熱性能最差，但具有最低的壓降，蛇形、螺旋形流道雖傳熱性能更好，但往往會造成更高壓降，增加增生功率[5-8]。對不同流道分布的電堆的研究則發現，流道排列方式的改變能直接影響到功率密度及溫度均勻性[9-10]。上述研究均涉及冷卻流道結構，但都局限于常規流道。Senn S M 等設計了一種樹狀網格微通道流道，這種流道由于在分岔處存在二次流動，具有更好的傳熱能力及更低的壓降，但該流道結構復雜，應用受限[11]。Lasbet Y 等研究了低雷諾數情況下三種流道的傳熱能力，結果表明，Z 型流道內存在紊流，傳熱性能最好，C 型流道內出現渦旋，傳熱性能次之，直流道最差[12]。Afshari E 等設計了一種鋸齒形冷卻流道，該流道相較直流道具有更低的溫度和更小的溫差，溫度均勻性也更好，有效提升了燃料電池的散熱能力[13]。以上學者從改進流道結構出發，設計了區別于傳統直流道的新型流道，但這些流道要么結構較復雜，應用受限，要么分析不夠深入，多數從散熱性能優劣方面分析，對產生傳熱差異的因素分析不足。

由此可發現，現有研究大多局限在常規流道形式及冷卻流道布置形式上，對基于強化傳熱原理設計的流道研究較少。少數研究基于強化傳熱原理設計的冷卻流道結構較復雜，不利于加工，同時這部分研究未對強化傳熱原理進行較多探究。本文基于強化傳熱原理設計了一種擋塊呈N 型分布的擾流式冷卻流道，從溫度、溫差、溫度均勻性等方面探究其傳熱能力，再以場協同原理輔助探究擾流式冷卻流道強化傳熱原理。

1 數值模擬計算基礎

1.1 基本控制方程

PEMFC 內部發生的物理現象一般可表示為動量、質量和能量守恒方程的解，又由于其內部存在多種組分之間的相互作用，還應滿足組分守恒方程。

質量守恒方程：

能量守恒方程：

動量守恒方程：

組分守恒方程：

1.2 反應物與生成物流量計算

PEMFC 中供給的氫氣的化學能否盡可能釋放，主要取決于供給反應氣體的質量流量。

氫氣與氧氣的化學計量數如下：

已知陽極與陰極過量系數之比為1.5∶2，反應氣體濕度為100%，工作溫度為353.15 K，根據上述公式計算出陽極側供氣質量流量為3.460 8×10－6kg/s，陽極側供氣質量流量為2.787 1×10－5kg/s。

1.3 場協同角

為建立流動與傳熱的聯系，依據場協同理論，引入場協同角評價傳熱性能。場協同角公式：

式中：θ為場協同角；U為流速；?T為溫度梯度。

依據場協同理論，當流體的速度和物理性質確定時，減小場協同角可以提升速度場與溫度場之間的協同性，有利于對流換熱。

2 模型與參數

2.1 幾何參數

單片燃料電池模型在UG 中建立，如圖1 所示。模型兩側為雙極板，雙極板上開有溝槽，一側溝槽與擴散層接觸，形成呈雙路蛇形布置的反應氣體流道，一側溝槽與其他單片燃料電池溝槽對應，共同形成呈平行布置的冷卻流道。膜電極從外到內分別為擴散層、催化層、質子交換膜。基于上述結構，本文仿真計算時，共建立11 個計算域，仿真在ANSYS Fluent中進行。

圖1 模型示意圖

模型質子交換膜厚0.05 mm，膜面積為2 500 mm2，催化層厚0.02 mm，擴散層厚0.1 mm，陰(陽)極板厚2.5 mm，反應氣體流道截面為1 mm2的正方形。

擾流式冷卻流道形狀及布置方式如圖1 右下所示，主要尺寸如圖2 所示。擾流式流道內有著許多正方形擋塊，擋塊間隔1 mm 布置并呈N 型規律分布，這種布置可使各擋塊均能起到作用，增強擾流能力。

圖2 流道尺寸示意圖

2.2 邊界條件

合理的物性參數與邊界條件是得到準確仿真結果的基礎，反應氣體進氣參數已在1.2 節給出，模型主要工作參數如下：參考壓力101 325 Pa；工作溫度353.15 K；冷卻水溫度348.15 K；開路電壓1.05 V；工作電壓0.7 V。

3 模型驗證

為驗證本模型選用的數值模擬計算方法是否準確，選用Cheng C H 等的實驗結果進行準確性驗證[14]。驗證過程中仿真模型的尺寸、材質和邊界條件等與Cheng C H 等的實驗保持一致。

準確性驗證結果如圖3 所示，從圖中可以看到電流密度在3 500 A/m2以下時，實驗結果與仿真結果較接近，電流密度大于3 500 A/m2時，實際燃料電池會因產生過多的水而導致濃度極化損失增加，而仿真模型對濃度極化損失的計算存在不足，導致極化曲線偏差較大，但在中低電流密度下實驗結果與仿真結果吻合性較好。

圖3 實驗結果與仿真結果對比

本文在仿真計算時采用0.7 V 工作電壓，此時仿真結果與實驗結果極為吻合，誤差較小，數值模擬計算方法可滿足仿真需求。

為確定滿足仿真需求的網格數量，進行網格無關性驗證，網格在Hypermesh 中劃分，全局為六面體網格。網格無關性驗證參數如表1 所示，綜合考慮，選取1.6×106網格數量的模型進行后續仿真。

表1 網格無關性驗證參數

4 結果與分析

4.1 傳熱效果分析

本節對不同流速下燃料電池中直流道與擾流式流道的傳熱性能進行分析，表2 所示為不同流速下燃料電池表面及中心面的溫度數值。

表2 燃料電池表面與中心面溫度數值

由表2 可發現，在同流速時，擾流式流道的溫度均低于直流道。流速由0.05 m/s 增至0.1 m/s，擾流式流道表面溫差下降40.05%，直流道為25.00%；擾流式流道中心面溫差下降10.57%，直流道為7.03%。說明采用擾流式流道的燃料電池溫度更低、溫差更小，且流速增加仍能減小溫差。

圖4 為冷卻水流速0.1 m/s 時兩種流道對應的燃料電池表面與中心面的溫度云圖。對比兩流道的溫度云圖，發現擾流式流道溫度范圍更小，表明使用擾流式流道時燃料電池溫度變化更平緩，均勻性更好。

圖4 冷卻水流速為0.1 m/s時燃料電池表面與中心面溫度云圖(上為擾流式流道，下為直流道)

從圖4 中還可發現溫度云圖未呈現對稱分布，雙極板兩側溫度存在差異且陰極側溫度較高，均與實際情況吻合，進一步表明仿真結果的準確性，同時也表明前人施加均勻熱流研究冷卻流道散熱的方法存在不足。

擾流式流道傳熱能力更好，但也會造成更大壓降，流速由0.05 m/s 增至0.1 m/s，擾流式流道壓降由149.3 Pa 增至526.9 Pa，直流道壓降由13.7 Pa 增至29.1 Pa。擾流式流道壓降較大，增長幅度也大。將蛇形、螺旋形等行程較長的流道改進為擾流式流道，壓降將明顯增加。

4.2 影響傳熱因素分析

從4.1 節可知，流速由0.05 m/s 增至0.1 m/s，直流道表面的溫度降幅為擾流式流道的79.41%，溫差降幅為擾流式流道的67.08%，擾流式流道傳熱能力明顯高于直流道。本節對增強傳熱能力的因素進行研究。本節所有數據皆為冷卻水流速為0.1 m/s 時取得。

擾流式流道流動趨勢呈周期性流動，如圖5 截取部分跡線圖所示。冷卻水從左往右流動，由于中部擋塊的阻礙被迫從其兩側流過，并在其背流區及下側擋塊拐角處形成渦旋，上側流體又由于擋塊阻礙再次變向，最終與下側流體匯合與下一處中部擋塊相遇，并在上側擋塊附近形成渦旋。其后流動趨勢與上述相近。

圖5 擋塊處跡線圖

擋塊的存在擾亂了冷卻水的流動，形成多處渦旋，增加了流動的復雜程度。這種在低雷諾數情況下出現近似紊流的流動特征，稱為混沌對流[15]。

從圖6 可以發現直流道內場協同角均接近90°，整體傳熱能力處于較差水平，在擾流式流道內，擋塊附近區域的場協同角存在較大波動。由圖5 可發現擋塊附近區域的流體流向變化顯著，部分區域存在渦旋，流動較為復雜，說明擋塊的擾流減小了場協同角，起到了強化傳熱的作用。

圖6 擾流式流道(上)與直流道(下)場協同分布

為進一步探究擾流式流道強化傳熱機理，取圖7 所示的6個截面進行分析。截面1 為流道中間截面，位置為X1=0 mm，截面1 至截面6 位置為X1=0 mm、X2=0.4 mm、X3=1.6 mm、X4=2.4 mm、X5=3.6 mm 和X6=4.0 mm。6 個截面的流向與溫度分布如圖8 所示。

圖7 截面位置圖

圖8 截面流向與溫度

截面1、5 和6 為流體在兩側擋塊后的流向與溫度分布情況。截面1 左側與截面5、6 右側為臨近擋塊區域，此處流向發生突變，部分流向線淡化，表示此處發生逆流，與圖5 兩側擋塊后渦旋對應。臨近擋塊區域流體溫度明顯較高，近壁面高溫流體經渦旋與低溫流體混合，促進熱量傳遞，截面5、6 右側溫度變化證實此點。由流體混合導致的溫度突變改變了場協同角，表現為圖6 擾流式流道中部擋塊左上(下)部低協同角區。

截面2 和4 為流體流向擋塊時的流向與溫度分布情況，兩截面在近擋塊區域溫度與流向均有較大變化。由圖6 可發現，在各擋塊迎流區域均有扁平低協同角區，這是由此處流向突變導致。流體對擋塊的沖擊增大了擋塊迎流面溫度場，低溫流體的瞬速補充使擋塊迎流區域傳熱能力得以維持在較高水平。

截面3 為流體在中間擋塊后的流向與溫度分布情況。在臨近擋塊區域溫度明顯升高且出現大面積逆流，與圖5 中部擋塊后渦旋相對應。此處渦旋將高溫流體輸送至附近高流速低溫流體與其混合，圖6 中部擋塊后大片低協同角區域就是由于冷熱流體混合導致的溫度突變形成。

由圖9 可以看到直流道內流體流向與截面垂直，溫度梯度較擾流式流道大。直流道內流體流向變化小，內部冷熱流體不能通過混合的方式迅速換熱，導致溫度梯度小，熱量傳遞較慢。

圖9 直流道中心截面流向與溫度

擾流式流道內場協同角的變化由兩方面引起：一是由于復雜的流動使得部分區域流體流向突變，減小了場協同角；二是由于高溫流體與低溫流體的混合，令部分區域溫度突變，減小了場協同角。直流道內流體流向穩定，溫度梯度變化小，導致場協同角接近直角。所以擾流式流道才具有更好的傳熱能力。

5 總結

本文對具有直流道與擾流式流道的質子交換膜燃料電池進行仿真分析，對比不同流速下兩種流道對燃料電池溫度的影響，發現擾流式流道具有更優的傳熱能力。之后對擾流式流道具有更優傳熱能力的原理進行分析，最終得到以下結論：

使用擾流式流道能給燃料電池帶來更低的溫度與溫差，同時也能擁有更好的溫度均勻性。擾流式流道隨流速的增加能降低更多溫度，但也會導致更高的壓降。對于蛇形流道這類行程較長的流道，施加擋塊造成的壓降將更明顯。

由于擋塊的阻礙使得擾流式流道內流體在低雷諾數條件下出現混沌對流，呈現出近似紊流的流動特征，增加了流動的復雜程度。一方面，流體復雜的流動使得流道內高溫流體與低溫流體能充分混合，降低了流道中心區域的溫度梯度，使各處流體均能吸收熱量。另一方面，流體復雜的流動增加了近壁面處的溫度梯度，使熱量能更快地從壁面傳遞至中心區域。兩因素共同作用，使得擾流式流道的傳熱能力得到強化，而流道內擋塊的有序布置使強化傳熱得以維持。