質子交換膜燃料電池新型冷卻流道設計及性能研究

中圖分類號：TM911.4 文獻標志碼：A

目前，傳統化學能源儲量日益減少，其燃燒帶來的環境問題也愈發嚴重，推動全球向清潔能源轉型。在此背景下，低噪聲、零污染排放且具備快速響應特性的質子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）展現出獨特的技術優勢[1-]。該裝置通過氫氧電化學反應直接輸出電能，工作過程中僅生成水與熱能，具有顯著的環境友好優勢[3]。盡管PEMFC的應用潛力廣泛，但其商業化進程仍面臨耐久性不足和制造成本偏高的問題，而熱管理就是解決其壽命問題的重要手段[4]

PEMFC在電化學反應中產生的大量廢熱對運行穩定性構成潛在威脅，熱量的持續積聚會引發膜電極組件脫水，最終加速電解質膜的結構劣化[5]這種熱失控效應不僅會造成輸出功率減小，還會縮短電池的使用壽命。由此可見，高效的熱管理對維持PEMFC的性能與穩定性具有關鍵意義。

現階段，PEMFC多在雙極板內設置冷卻流道，或配置專門的冷卻板以實現散熱，對于高功率密度的電堆裝置，液體冷卻因具備較強的冷卻能力，成為優先選擇[6]。其冷卻機制是冷卻液在冷卻流道內循環流動，帶走PEMFC在運行過程中產生的熱量。目前，PEMFC的冷卻流道設計有平行流道、蛇形流道、點陣形流道、交指形流道4種基本形式。不同的流道配置會導致不同的流動方向，進而產生不同的冷卻效果，因此流道的結構和布局是決定冷卻效率的關鍵因素。

在PEMFC的冷卻流道優化研究中，眾多研究者通過改變流道的幾何形狀實現了熱管理性能的顯著提升。研究表明，三維混沌流道[、特斯拉閥式[8]鋸齒形[9]及波浪形[10]等流道結構，均通過增強流體擾動、形成二次渦旋，實現了傳熱效率提升，其中波浪形流道還可通過調節波峰數量實現熱傳導與流阻的平衡[1I-12]。此外，擴散器型、噴嘴狀[13]及梯形流道[14]則在加速廢熱、液態水排出方面具有優勢。

PEMFC的熱管理效果在很大程度上也取決于冷卻流道的排列方式。相關研究表明，多螺旋、蜂窩狀等非傳統構型的冷卻流道能有效改善溫度分布均勻性，但會導致壓降的上升；而多通道布局流道可降低局部流動阻力并提升溫度均勻性[15-6] C部分新型流道設計則實現了低壓降條件下的高效散熱性能，為流道布局提供了兼顧效率與能耗的多元化解決方案[17-18] ○

研究發現，在冷卻流道內設置阻塊、凹槽等擾流結構，均能顯著提升PEMFC的傳熱性能。其中，阻塊結構通過增強流體擾動提升傳熱效率，但可能導致壓降增加[19]；而凹槽結構在強化傳熱的同時，可降低壓力損失，為兼顧高效散熱與低壓降的流道設計提供了新方向[20]。還有部分研究者運用仿生設計優化PEMFC的冷卻流道結構，有效提升了熱管理性能。仿生葉脈、魚骨及樹狀分形等流道設計[2I-23]，不僅優化了溫度均勻性，降低了電池溫度與系統壓降，還改善了冷卻液的流動分布，實現了低能耗下的高效散熱。

綜上所述，良好的冷卻流道設計能夠實現更高效的熱傳遞。然而，部分復雜流道在實際加工中面臨工藝難度大、制造成本高的問題，而傳統平行流道仍存在散熱效率低、溫度分布不均的固有缺陷。針對平行流道的熱管理問題，本研究聚焦于多通道分流結構的創新設計，提出3種新型冷卻流道，通過數值模擬探究其在不同工況下的傳熱性能與流動特性，以期為解決高功率密度PEMFC的熱管理難題提供兼具工程可行性與高效散熱能力的新方案。

1 模型與參數

1.1 幾何參數

質子交換膜燃料電池的基本結構通常由陰陽極雙極板（bipolarplate，BP）、氣體擴散層（gasdif-fusionlayer，GDL）、催化層（catalystlayer，CL）及質子交換膜（protonexchangemembrane，PEM）組成[24]。其熱管理機制主要依賴于雙極板內設計的冷卻流道或獨立冷卻板，通過冷卻液在流道內的循環流通，將電堆運行中產生的熱量及時帶走。這種基于流體動力學的散熱機制已成為保障PEMFC穩定運行的關鍵熱管理措施。圖1展示了設置冷卻板的燃料電池典型結構。

本研究采用如圖2所示的熱通量模型開展熱力學分析，該模型包括冷卻板與冷卻流道。在冷卻板底面施加熱通量邊界條件，用以模擬熱量經PEMFC雙極板傳遞至冷卻板的過程。該建模方法通過關鍵參數的等效替代，實現了復雜熱傳導過程的可控模擬。運用數值模擬方法探究平行流道和3種新型流道對PEMFC傳熱性能的影響，流道結構如圖3所示。

1.2 物性參數與邊界條件

本研究中冷卻板為石墨，冷卻液為液態水，同時忽略重力對系統的影響。冷卻液的初始溫度設定為313K，其入口設定為速度入口，出口為壓力出口，并且速度方向垂直于進出口平面。在計算過程中，采用SIMPLE算法求解連續性方程，運用Navier-Stokes方程進行流動迭代計算，從而獲取數值模擬結果。當迭代殘差減小到 1×10^-8 ，此時溫度、壓降等各種參數趨于穩定，可認為達到收斂狀態。具體的邊界條件見表1。

2 模型假設

本研究針對冷卻流道內冷卻液的流動傳熱特性，在數值模擬中作出以下理想化假設：

1）冷卻液被視為不可壓縮牛頓流體，流動狀態為穩態層流；

2）冷卻液的入口流速和溫度設定為恒定值；

3）物理參數假定為不隨溫度變化的常數；

4）冷卻板表面施加均勻熱通量。

3 數學模型方程

3.1 質量守恒方程

對于不可壓縮流體，方程可簡化為 ，即

式中： ρ 為流體密度； 是速度矢量； u，v，w 分別是 x，y，z 方向的速度分量

3.2 動量守恒方程

式中： ρ 為流體密度； 為速度矢量； p 為流體壓力; μ 為動態黏度; ，F_z ）為體積力矢量。

3.3 能量守恒方程

式中： c_p 是流體的定壓比熱容； T 是溫度; k 是熱導率； 是單位體積內的熱量生成率。

3.4對流換熱方程

3.5溫度均勻性指數（indexofuniformtemperature ，IUT）

式中： I_UT 為溫度均勻性指數； 表示第 ∣m∣ 個區域的溫度； 表示整個系統的面積加權平均溫度； A_m 為第 m 個區域的面積； n 為區域的總數。當溫度分布完全均勻時， I_UT= 1 ；溫度分布越不均勻， I_UT 的值越小。

3.6 努塞爾數 （Nu）

式中： h 是平均傳熱系數； D_c 為流道水力直徑； k 是流體的導熱系數。

4網格無關性驗證和模型驗證

數值模擬精度與計算效率的平衡是仿真模擬的關鍵問題。針對平行流道模型，在熱通量為5000W/m² 、入口流速為 0.2m/s 的工況下，設置了6種網格數量進行對比試驗，網格1、網格2和網格3、網格4、網格5、網格6分別對應的網格單元數為202145、363865、525585、687305、849025、1 010 745 。如圖4所示，當網格數達到687305（網格4）時，繼續增加至849025（網格5）僅導致最大溫度降低 0.03% 以下、壓降升高 2.05% ，表明此時網格已經滿足仿真需要。為了平衡精度和計算效率，選取網格4進行后續仿真。

式中： q 是對流換熱量； h 是平均傳熱系數； A 是換熱面積； T_w 是壁面溫度； T_f 是冷卻液溫度，通常取冷卻液入口溫度。

為檢驗數值模擬結果的可靠性，在一致工況下將仿真數據與BAEK等[的模型結果進行對比。如圖5所示，在5組不同冷卻液質量流量條件下，數值模擬結果與理論值呈現良好一致性，在冷卻液質量流量 2.0E-06m³/s 時，相對誤差達到峰值6.39% 。該驗證結果證實了數值模擬方法在質子交換膜燃料電池熱管理分析中的有效性與可信度。

5 結果與分析

5.1 速度云圖分析

如圖6所示的速度分布云圖，直觀呈現了不同冷卻流道內冷卻液的流動特性差異，而這種差異直接影響電池的溫度控制能力與傳熱效率。傳統平行流道受限于直線型結構設計，流體流動路徑單一且流道結構缺乏變化，導致整體流速偏低且分布不均。這種平緩的流動狀態導致流體在流道內停留時間較長，尤其在中心區域形成了明顯的低速流動死區，熱量難以及時被帶走，導致平行流道的傳熱性能不佳。

相比之下，3種新型流道通過結構創新顯著改善了流體流動特征。新型流道A和B通過引入轉彎結構，顯著改變了流體的流動路徑。在彎折區域，流體速度迅速增加，形成多個高速區域。這些高速流動區域加劇了流體湍動，破壞了層流邊界層，從而強化了流體與壁面之間的傳熱效率。此外，其分支結構促進了不同區域間的流體混合與熱交換，減少了流動死區，進一步提升了冷卻效果。而新型流道C通過延長流動路徑并增加彎折次數，進一步提升了流道整體的平均流速，使其成為4種方案中高流速區域占比最大的流道結構。

5.2 溫度云圖分析

4種流道在流道中心橫截面上的溫度分布云圖如圖7所示，它清晰呈現了不同流道結構對冷卻板溫度場的影響差異。平行流道的溫度分布呈現明顯的中心高溫聚集特征，當入口流速為 0.2m/s 時，最高溫度達327.36K，低溫區域僅局限于流道兩側壁面附近。這種溫度分布是由于平行流道內流體流動平緩，層流邊界層較厚，熱量主要依賴壁面導熱傳遞，導致中心區域熱量積聚，溫度均勻性較差。

與平行流道相比，3種新型流道均表現出更加均勻的溫度分布。新型流道A的高溫區域面積較平行流道有所縮減，其低溫區域向流道中心擴展，最高溫度降至 324.69K 。新型流道B的溫度均勻性進一步提升，最高溫度為 324.31K 。其結構在多個彎折處引發的流動分離與再附著，形成周期性的高低速混合區域，這種流動狀態促使熱量更均勻地分布，減少了局部熱堆積。

新型流道C的高溫區域最少且溫度也最低，降至 324.14K 。這主要歸功于其多通道蛇形設計。這種設計通過多次彎折延長了流動距離，增加了流體與壁面的接觸時間，使得熱量傳遞更加充分。同時，多通道布局使得流體分布更加均勻，減少了流動死區，進一步提高了傳熱效率，使其傳熱性能最佳。

5.3 壓降云圖分析

平行流道及3種新型流道在流道中心橫截面上的壓降分布云圖如圖8所示。從整體來看，不同流道結構內的壓降分布差異顯著，平行流道的壓降最低，3種新型流道的壓降均高于平行流道。平行流道的壓降分布呈現出沿流動方向逐漸降低的特征，壓力梯度相對平緩，最大壓降為 155.13Pa 。這主要歸因于平行流道內流體流動順暢，流體速度較低，阻力損失較小。

新型流道A的壓降分布呈現出較小局部高壓區域，最大壓降達到 172.77Pa 。這是由于流體在彎折處需要改變流動方向，產生額外的流動阻力，同時流體交匯處的流體沖擊與混合效應也會導致壓力損失增加。

新型流道B由于分支通道的延長，壓降相對新型流道A進一步升高，最高達到 187.64Pa 。新型流道C的壓降分布呈現出較為復雜的變化趨勢，最大壓降為 203.98Pa ，是4種流道中壓降最高的。這是由于其多通道蛇形設計，流體需要經過多次方向改變，且其分支通道較長，流體在流動過程中持續克服摩擦阻力，能量不斷損失，導致流動阻力大幅增加。然而，這種設計通過增強流體擾動，增強了傳熱效果，雖然壓降增大，但在一定程度上提高了冷卻性能。

5.4熱通量對冷卻性能的影響

如圖9和圖10所示，隨著熱通量從 4000W/m² 增加到 8 000W/m² ，平行流道的最大表面溫度從324.47K 上升到 336.04K ，溫差從 10.29K 增加到 20.68K ，均為4種流道中最高。這表明在熱負荷增加時，平行流道的溫度控制能力不足，溫度均勻性變差。相比之下，3種新型流道的最大溫度和溫差均小于平行流道。其中，新型流道C隨著熱通量的升高，最大溫度從321.91K上升到 330.83K 溫差從7.03K增加到 14.07K 。其最大溫度和溫差均為4種流道中最低，這表明新型流道在熱通量增加時，能更有效地控制最高溫度和溫差，維持更好的溫度均勻性。

如圖11和圖12所示，從平均溫度和IUT隨熱通量升高的變化趨勢來看，各流道的平均溫度隨熱通量增加而顯著上升，IUT則呈下降趨勢。這說明各流道隨熱通量的增加，溫度分布的均勻性逐漸降低。而新型流道的平均溫度始終低于平行流道，IUT始終高于平行流道，表明新型流道在提高溫度均勻性方面優于平行流道。而在新型流道中，隨著熱通量的增加，新型流道C的平均溫度最低，新型流道A的平均溫度最高;新型流道B的IUT最高，新型流道A的IUT最小。

如圖13和圖14所示，各流道的平均傳熱系數（h） 和努塞爾數 （Nu） 隨熱通量增加而增大。但平行流道的 Nu 和 h 均最小。這表明平行流道的傳熱能力提升有限，難以滿足高熱負荷需求。而新型流道的 h 和 Nu 增幅更為顯著。例如，新型流道C的 h 隨熱通量增加從 93.68W/（m²?K） 增加到161.49W/（m²?K），Nu 從156.14增加到269.15，為4種流道中表現最佳的案例，這表明新型流道能更有效地增強傳熱，適應熱負荷的增加。

5.5冷卻液流速對冷卻性能的影響

如圖15和圖16所示，隨著冷卻液流速從0.2m/s 增加到 1.0m/s ，各流道的最大表面溫度和溫差均逐漸減小，這是由于冷卻液流速增加時，流體與壁面的相對運動速度加快，對流換熱能力得以增強。隨著流速的增加，平行流道的最大表面溫度從 327.36K 下降到319.12K，溫差從 12.88K 減少到 5.11K 。這表明增加流速能有效提升平行流道的冷卻性能，提高溫度均勻性。相比之下，3種新型流道的最大溫度和溫差降低幅度更大，溫度控制能力更優。其中，新型流道C在 0.2m/s 的最大溫度僅為 324.14K ，溫差為 8.79K ，分別較平行流道的最大溫度和溫差降低了3.22K和 4.09K 為4種流道中表現最佳的案例。這說明新型流道對流速變化的響應更為敏感，冷卻性能提升更顯著。

如圖17和圖18所示，從平均溫度和IUT的變化趨勢來看，各流道的平均溫度隨流速增加而降低，IUT則呈上升趨勢。各新型流道的平均溫度較平行流場更小，IUT也更高。新型流道C的平均溫度隨著流速增長從320.24K下降到315.02K，IUT從0.99661上升到0.99906，為表現最佳的案例。相比之下，平行流道的IUT從0.99531上升到0.99813，為表現最差的案例，表明新型流道在提升溫度均勻性方面優于平行流道。

如圖19和圖20所示，各流道的 Nu 和 h 均隨流速增加而增大。平行流道的 Nu 和 h 在各流速下均為最小，這表明平行流道的傳熱能力最差。而新型流道的 h 和 Nu 隨著流速的變大增幅更為顯著。其中，新型流道C的 h 隨流速增大從 112.54W/（m²?K） 增加到 130.78W/（m²?K），Nu 從187.57增加到217.97，為表現最好的案例。這是由于新型流道的多通道蛇形設計使流體在流動中多次改變方向，產生二次流動和渦旋，擴大了流體與壁面的接觸面積，能更有效地增強傳熱。

如圖21所示，從壓降的變化趨勢來看，各流道的壓降隨流速增加而變大，而各新型流道的壓降在各流速下始終大于平行流道。其中，新型流道C的壓降最大，在 0.2m/s 時為 203.98Pa ，新型流道B次之，而平行流道最小，壓降為 156.13Pa 。由此可見，新型流道在冷卻性能有較大提升的同時，壓降也僅較平行流道略有增加，仍然以較低的壓降實現了較好的傳熱性能，

6 結論

本研究提出了3種多通道分流結構的新型流道設計，旨在提升PEMFC的熱管理性能。探究了不同流道設計、熱通量和冷卻液流速對熱管理性能的影響，得出了以下結論：

1）基于多通道分流結構的新型流道（A、B、C）在傳熱效率與溫度均勻性方面均優于傳統平行流道，其中新型流道C的綜合性能最為突出。在0.2m/s 的入口流速工況下，相比平行流道，新型流道C的最大表面溫度降低了3.22K，溫差減小了4.09K ，而壓降僅增加了 48.85Pa ，體現了其在較小流動阻力增幅下實現高效散熱的優勢。

2）隨著熱通量從 4000W/m² 增加到8 000W/m² 各流道的最高表面溫度、溫差及平均溫度均呈現增長趨勢，同時努塞爾數與表面傳熱系數也同步升高。值得注意的是，溫度均勻性指數隨熱負荷增加而持續降低，反映出高熱通量工況下流道溫度場分布不均的問題加劇。這一現象說明，在應對高熱負荷場景時，冷卻流道設計需優先考慮溫度場分布均勻性的優化策略，以抑制局部高溫積聚并提升整體熱管理能力。

3）冷卻液流速的增加對冷卻性能有顯著增強作用。隨著入口速度的增加，最大表面溫度與溫差均呈現下降趨勢，溫度均勻性指數及表面傳熱系數逐步增加，實現了更均勻的溫度分布和更好的冷卻效果，然而，壓降隨流速升高呈非線性增長。因此，在工程應用中需綜合考量冷卻效率與能耗成本，確定適宜的流速條件實現熱管理性能與能耗的平衡，以達最佳綜合效益。

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（責任編輯：曾 晶）

Design and Performance Study of Novel Cooling Channels for Proton Exchange Membrane Fuel Cells

QI Meiling，HUANG Ying （College of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang 55oo25，China）

Abstract：The design ofcooling channels has a significant impact on the thermal management performance of the proton exchange membrane fuel cell（PEMFC）．This study addresses the low heat dissipation performance of traditional parallel channels and proposes three new channel designs to enhance the thermal management performance of PEMFC. The results show that the new channels outperform the paralel channels in terms of cooling effciency and temperature uniformity.Among them，the new channel C has the best performance.At a coolant flow rate of 0.2m/s ， its maximum surface temperature is 3.22K lower than that of the parallel channel， and the temperature difference isreduced by 4.09K ，demonstrating the advantage of achieving efficient heat dissipationwitharelativelysmall increase in pressuredrop.Inaddition，this study further explores theeffects of heat flux and coolant flow rate on thermal management performance.Itis found that high heat flux intensifies the non-uniformity of temperature distribution，highlighting theimportance ofoptimizing thermal distribution uniformity under high heat load.While increasing theflow rate can significantly enhance thecooling effect，it leads to a sharp increase in pressre drop. Therefore，in practical applications，a balance must be struck between cooling eficiency and energy consumption. The new channel designs proposed in this study can effectively improve the thermal management performance of PEMFC，providing theoretical basisand technical support for promoting the engineering application of high-power-density PEMFC.

KeyWords： proton exchange membrane fuel cell（PEMFC）；cooling channel; thermal management; numerica simulation；temperature uniformity