基于不同流道參數對空冷燃料電池電堆熱場的仿真研究

中圖分類號：TM911.4 文獻標志碼：A DOI：10.19822/j.cnki.1671-6329.20240122

0引言

相比于傳統(tǒng)內燃機燃燒技術，燃料電池具有更高的能量轉換效率，其效率可達到 60%^[1-2] 。同時燃料電池的運行產物主要為水，幾乎不產生其他污染物，對于實現碳中和的目標具有一定的積極意義[3。近年來，燃料電池被廣泛應用于汽車、船舶、飛機以及固定式發(fā)電領域[4]。

在燃料電池的冷卻方式上，傳統(tǒng)燃料電池通常采用水冷系統(tǒng)。然而，水冷系統(tǒng)結構復雜，對系統(tǒng)的長期可靠性構成挑戰(zhàn)。而空冷燃料電池通過強制空氣流過電堆表面及內部流道進行散熱，顯著簡化了冷卻系統(tǒng)的結構，減少了系統(tǒng)組件數量，有效降低了系統(tǒng)故障率，提高了系統(tǒng)可靠性。空冷燃料電池在體積及質量方面均具有一定優(yōu)勢，適用于對輕量化及空間要求較高的應用場景，例如無人機及小型移動設備。

盡管空冷系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢，但其散熱能力相對有限，且電堆內部溫度分布受風扇進風量、氣流組織、電化學反應熱等因素的耦合影響，其溫度控制策略的精確性直接關系到燃料電池的性能、壽命和安全性。因此，深人理解空冷燃料電池內部溫度分布特性及影響因素至關重要。本文針對傳統(tǒng)小孔式空冷氫燃料電池進行仿真分析，探究在不同電流密度工況下風扇進風量對電堆內部溫度的影響。同時，為了確保方針模型的準確性和可靠性，本文還將對現有風扇進行標定，并通過試驗對比的方式，驗證仿真模型的預測精度，旨在為空冷燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供一定參考。

1空冷燃料電池基本原理

1.1溫度對空冷燃料電池的影響

燃料電池電堆在工作時產生的熱量主要來自4個途徑：化學反應放熱、歐姆極化放熱、壓縮空氣帶入的熱量及環(huán)境輻射熱量。其中，化學反應放熱為主要熱量來源。由于燃料電池的本質是將化學能轉化為電能和熱能，其化學反應可表達如下：

式中： 為單位時間內反應生成熱量， 為單位時間內氫氣可用內能， U_c 為電池單體反應產生電壓，I為電池單體反應產生電流， n_c 為電池單體數量。

溫度對電堆性能的影響較為復雜。較高的溫度可以提升催化劑活性，加速質子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）內的質子傳導，從而提高電化學反應速度，提升電堆性能。然而，燃料電池內部的溫度分布也可能導致電堆性能下降，具體原因如下：（1）電堆內較高的溫度將加速反應生成水的排出，導致質子交換膜水分過度積聚，從而造成膜的導電率下降。（2）不同區(qū)域的溫度差異可能導致熱電偶效應，降低整體熱效率。（3）若溫度過低，電堆內催化劑活性將下降，導致輸出電壓降低。（4）過高的局部溫度可能導致電極材料膨脹、變形或燒蝕，影響電極的導電性和與催化劑的接觸面積，從而影響電流傳輸。（5）長期溫度不均衡可能導致電堆各部分使用壽命不一致，進而影響電堆整體壽命。維持電堆內部適宜溫度及溫度均勻性對空冷燃料電池系統(tǒng)性能具有重要意義，在電堆流道的設計過程中應優(yōu)先考慮此問題。

PEMFC的最佳工作溫度范圍通常為 60～70^°C^[7] 溫度偏離此范圍或濕度不足均會影響其電化學反應效率。風冷燃料電池電堆的設計難點主要體現在2個方面：（1）電堆散熱量隨電流密度變化，風冷系統(tǒng)具備快速、精確的溫度調控能力，以維持最佳工作溫度且減少調節(jié)時間。（2）風扇直接冷卻雙極板散熱過程中將帶走部分水分，降低電堆內部濕度，進而影響電堆的性能。溫度與濕度之間的內在沖突，是制約風冷燃料電池性能表現的主要因素8]

1.2空冷燃料電池基本結構

目前，水冷散熱是燃料電池的主流冷卻技術。然而，對于功率和發(fā)熱量均較低的燃料電池，采用空冷結構能夠更加顯著地提升系統(tǒng)的便攜性及可靠性。目前，空冷燃料電池系統(tǒng)主要分為單流道風冷和雙流道風冷2種結構。單流道空冷設計將電堆反應空氣與冷卻空氣合并于同一流道，其中小部分空氣為電化學反應提供氧氣，而大部分空氣承擔散熱功能，將電堆多余熱量帶走。而雙流道風冷設計將電堆反應空氣與冷卻空氣分別輸出。

本文所述空冷燃料電池系統(tǒng)采用雙流道風冷設計，其基本結構如圖1所示。該系統(tǒng)利用散熱風扇產生的氣流，將環(huán)境空氣引入獨立的冷卻通道。空氣在流道內吸收燃料電池運行時產生的熱量后排出，實現持續(xù)空冷。為精確控制燃料電池的工作溫度，空冷系統(tǒng)通過調節(jié)風扇轉速來控制流經冷卻流道的空氣流量。散熱風扇的選型及流道設計是空冷系統(tǒng)的核心要素，其中，散熱風扇流阻曲線、流道尺寸、材料等參數直接影響空冷系統(tǒng)效率。

圖1雙流道型空冷燃料電池系統(tǒng)結構示意

2仿真模型

2.1 仿真模型的建立

電堆結構具有較強對稱性，為了合理減小計算量，本文對電堆結構進行了簡化，如圖2所示。風扇將冷卻空氣從左側吹入電堆，經過流道時，流道截面變小，經加速后，空氣在冷卻流道中快速流動，從右側流出。

模型的三視圖具體尺寸如圖3所示，通過更改小孔及膜電極組件（MembraneElectrodeAssembly，MEA）的相關尺寸，得到合理的尺寸比例，以達到良好的散熱效果及保持電堆功率平衡。其中基于仿真模擬使用尺寸如表1所示。

圖2仿真模型簡化結構示意

注：圖中H為小孔高度，W為小孔寬度，L為雙極板寬度 ，L₂ 為MEA寬度

圖3仿真模型結構尺寸示意表1仿真模型結構尺寸設定

此外，本文基于選型風扇進行仿真，由于結構進行了簡化，因此風扇的入口設置為定常流，換算后得到的風扇流速及流阻曲線如圖4所示。

圖4散熱風扇流速流阻關系

2.2 邊界條件的設定

電堆在實際的穩(wěn)態(tài)運行時可以將其視為一個均質發(fā)熱體，本次仿真將基于以下假設進行邊界條件的設置：冷卻介質為不可壓縮、單相空氣流；MEA為均質發(fā)熱源，電堆電壓恒定，其單位體積發(fā)熱量與電流呈正相關；空氣及固體介質的物理性質不隨溫度變化；空氣流經散熱風扇后有足夠長的距離實現氣流的均勻分布；不考慮流道內的輻射換熱。材料的物理屬性如表2所示。

表2仿真模型的物理屬性

MEA作為均質熱源，其電流密度及單位體積發(fā)熱量的關系可表示為：

式中：i為電流密度， U 為電堆輸出電壓， h 為MEA厚度， 為MEA單位體積發(fā)熱量。通過前期試驗得出，電堆輸出電壓控制在 0.65V 左右，MEA厚度為0.3mm 。因此，MEA發(fā)熱量與電流密度正相關，其對應關系如表3所示。

表3MEA發(fā)熱量設定

與散熱風扇相關的邊界條件的設定如下：散熱風扇入口溫度為 ；散熱風扇入口初始風速分別設定為 1m/s?2m/s?3m/s?5m/s_c

3仿真結果

本文基于商業(yè)風扇進行模擬，模型尺寸編號設置為：A尺寸表示小孔尺寸為 1.5×1.0mm ，B尺寸表示小孔尺寸為 1.0×1.0mm ，C尺寸表示小孔尺寸為 0.8× 1.0mm 。下標40、43、47表示雙極板的寬度。

表4仿真模型結構尺寸名稱的設定

注 ：φ 為MEA有效面積比。

3.1 入口流速的設定

為確保方針準確性，應為每個尺寸模型設定恰當的入口流速。由于風扇的流量流阻曲線呈現非線性關系，直接確定入口流速較為復雜。因此，本研究采用以下方法：首先，預設各模型尺寸入口流速值；其次，基于假設值進行仿真計算，得到相應的進出口壓差，根據仿真結果，繪制該模型的流量流阻曲線；最后，將仿真結果與散熱風扇的數據交叉擬合，確定不同尺寸模型在特定工況下的入口流速，如圖5所示。表5為各尺寸模型對應的入口流速。

圖5散熱風扇入口流速擬合

表5各模型散熱風扇入口流速

通過對比分析，基于人口流速擬合模型獲得的仿真出入口壓差與依據風扇原始流速曲線計算得到的出入口壓差（即出入口流阻）之間的相對誤差低于1.5% 。該結果表明，該流速可以作為后續(xù)仿真的入口流速使用。

3.2溫度與電流密度的關系

基于表5的人口流速進行匹配后，通過改變MEA發(fā)熱量模擬不同電流密度下的MEA最高溫度，其結果如圖6所示。

圖6不同模型尺寸下MEA最高溫度與電流密度的關系

MEA的最佳工作溫度為 70～80^°C 。因此， A₄₀ A₄₃，A₄₇ 尺寸結構可以更有利于實現這一目標的溫度區(qū)間。本仿真分析基于風扇的最大風量工況進行，這是由于風扇采用脈寬調制（PulseWidthModulation，PWM）方式控制，實際運行過程中可通過退化PWM信號改變風量，進而將MEA的溫度調節(jié)至最佳工作溫度。

此外，由于散熱風扇的效果，MEA進風側溫度會低于出風側溫度，其中 A₄₀ 結構中溫度分布如圖7、圖8所示。

圖7 A₄₀ 結構下MEA最高溫度與電流密度的關系

圖8 A₄₀ 結構下2000DC時MEA及流體溫度分布

不同模型尺寸條件下MEA進出口兩側溫差與電流密度的關系如圖9所示， C₄₇ 結構在 200mA/m 電流密度下工作時，記錄到最大溫差，該溫差超過12^°C ： A₄₀ 結構在 600mA/cm² 的電流密度下工作時，記錄到最小溫差，該溫差可以控制在 2°C 以內，而在2 000mA/cm² 的高電流密度條件下，最小溫差可能增加至 6°C 以上。

圖9不同模型尺寸下MEA進出口兩側溫差與電流密度的關系3.3 占空比調節(jié)

圖10為 40mm 的小孔深度下MEA最高溫度變化，圖11為 40mm 的小孔深度下MEA兩側溫差。降低入口風量，可以有效提高MEA工作溫度，但MEA的溫差將隨之增加。因此，在實際控制過程中，需要綜合權衡風量、工作溫度以及溫度的均衡性，以實現MEA性能的最優(yōu)化。

圖10 A₄₀ 尺寸MEA最高溫度

圖11 A₄₀ 尺寸MEA兩側溫差

3.4結果驗證

由于該仿真為穩(wěn)態(tài)仿真，因此MEA生熱主要表現為對空氣的加熱，其加熱功率為：

P_a=v?A?ρ_a?c_p?（T_o-T_i）

式中： P_a 為空氣加熱功率， v 為空氣流速， ρ_a 為空氣密度， c_p 為空氣比熱容， T_o 為出口溫度， T_i 為入口溫度 ^，A 為MEA與雙極板接觸的表面積。

而MEA的發(fā)熱功率通過表3可計算為：

P_M=p×V

式中： P_?M 為MEA加熱功率， ?，p 為單位體積加熱功率， V 為MEA體積。

A₄₀ 尺寸小孔數值驗算結果如表7所示。

表6 A₄₀ 尺寸小孔數值驗算結果

其余尺寸小孔從功率角度分析的誤差均在0.09%～2.5% 范圍內，其結果具有較高準確性。

3.5 結果對比

Souza[o的試驗結果顯示，雙極板的兩側溫差可達14^°C 。同等條件下，本研究仿真結果的雙極板溫差為10～13°C 。同時，Souza的試驗MEA溫度為 60～70^°C ，本文仿真結果為 65～69^°C ，仿真溫度分布與Souza的試驗結果較為一致。

4結論

（1）本文提出一種基于實際應用中的散熱風扇與模型聯合仿真的方法，得到了對應的入口流速，并使進出口壓差的誤差控制在 1.5% 以內。

（2）燃料電池對工作條件要求較高，其最佳工作溫度為 70～80^°C ，可以通過調節(jié)散熱風扇占空比，對入口風速進行調節(jié)，使燃料電池處于最佳工作溫度，在該條件下最佳的模型尺寸為A40A43、A47°

（3）小孔尺寸直接影響散熱效果， 1.5×1.0mm 的小孔尺寸可以有效增加散熱效果。然而，過大的小孔尺寸將造成散熱過剩，影響MEA散熱溫度。此時，調節(jié)占空比是控制溫度的有效方法。

（4）通過調節(jié)MEA寬度，可以增加MEA的有效工作面積占比。仿真試驗結果表明，當MEA寬度設定為40mm ，配合 47mm 寬度的雙極板，并采用高 1.5mm 寬1.0mm 的小孔結構（即尺寸 A₄₇ 方案）時，MEA的比表面積達到最高值 85.1% 。在該結構參數下，MEA的工作溫度可以維持在最佳區(qū)間內。

（5）由于風扇僅從一側對電堆進行吹風，導致MEA在工作過程中內部溫度分布不均勻。較寬的MEA及雙極板將加劇進口和出口的溫度梯度，增大MEA整體溫差。因此，確定MEA的最佳寬度需要通過結合試驗及空冷燃料電池的使用場景進行具體分析。

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