质子交换膜燃料电池冷却流道的设计与模拟

燃料电池具有清洁和高效的优点,使之最有可能成为内燃机的替代品,在众多类型的燃料电池中,质子交换膜燃料电池拥有更高的功率密度和更快的冷启动速度,成为当前开发的重点。质子交换膜的效率在40%～60%之间,内部约有40%-60%的能量耗散为热能需要通过冷却系统带走。如果整个系统的热管理不当,会使得电池内部的质子交换膜过干或局部出现“水淹”的现象,而使电池的性能下降。大功率燃料电池堆主要通过冷却循环水带走反应产生的热量来实现对电堆温度的控制。本文设计了蛇行和并行型式流道的冷却板,模拟了冷却板中的传热传质,分析和评价了几种冷却板的优劣；同时对U型和Z型冷却水分配道进行了模拟和优化。 首先,介绍了燃料电池中热量的来源和散发途径,并建立了燃料电池工作过程的数学模型,模型综合考虑了电池中质量守恒和电荷守恒,以及催化层中的电化学反应,计算了不同的电流密度下输出电压,过比较模型计算结果与试验结果验证模型。同时对燃料电池在工作电流密度为1A/cm2时产生的热量和所需的冷却水的流量进行了估计。 为了对电堆进行有效的热管理,设计了四种流道型式的冷却板,其中冷却板A和B的流道型式为并行,冷却板C和D的流道型式为蛇行,并且建立了CFD模型,验证了网格密度对计算结果的影响,确定每个模型所需的网格数目为37万,分析了冷却板表面的最高温度,平均温度、温度均匀因子和冷却水进出口压差。计算分析表明：(1)冷却水的流量越大,冷却板表面的温度均匀性越好,但是同时会使得冷却水进出口压降变大,水泵需要消耗更多的能量。(2)在相同的冷却水流量下,设计为蛇行流道的冷却板模型C和D的表面温度均匀性好于设计为并行流道的冷却板模型A和B。 然后,建立了三维电池堆的U型和Z型冷却分配道的CFD模型,分析了不同型式的分配道对冷却板中循环水分配均匀性的影响。为了节省计算成本,对模型作了简化,使用直流道代替实际真实的冷却流道,并且将直流道区域设置为多孔介质来模拟真实流道中的压降。计算结果表明：(1)冷却水的流量对分配道的分配均匀性影响很小；(2)在相同的流量下,U型分配道的分配均匀性更好；(3)在相同的流量下,增加分配道的宽度有利于提高其分配均匀性。