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一种基于热分析和冷却流场对质子交换膜燃料电池性能影响的数值研究
M.Ghasemi,A.Ramiar*, A.A.Ranjbar,S.M.Rahgoshay
Faculty of Mechanical Engineering,Babol Noshirvani University of Technology,
P.O.Box 484,Babol,Iran
文章信息
文章历史：
2017年4月21日被接收
2017年7月23日被接收修订后的形式
2017年8月4日被承认
2017年8月30日可在线观看
摘要：热管理和水管理是设计和提高质子交换膜燃料电池效率的两个相互关联的重要课题。有着适当的性能的合适的冷却流场设计是提高质子交换膜燃料电池寿命的一个重要因素，因为温度的不均匀性会降低质子交换膜燃料电池的稳定性和耐久性。考虑了不同的冷却策略来消除质子交换膜燃料电池产生的热量，因为需要使燃料电池的温度尽可能的保持在一个均匀、可接受的范围内。首先，需要确定燃料电池中热源的重要性和位置，应用适当的冷却策略是非常重要的。在本研究中，我们使用六种不同的冷却流场来模拟具有蛇形气体流场的质子交换膜燃料电池。传统的蛇形管(模型1)，典型的多通道蛇形管(模型2)，典型的蛇形管(模型3)，平行蛇形管(模型4)，传统的螺旋管(模型5)和传统的平行管(模型6)。结果表明，模型5基于最小和最大温度梯度、均匀温度指数(IUT)具有较好的温度和性能，但压降较大。对于第二种选择，当压降作为重要指标，模型3的性能优于其他模型。此外，热分析表明，在这些情况下，欧姆，熵和反应加热分别占比大约20%，35%，45%的质子交换膜燃料电池产生的总热量。
关键词：质子交换膜燃料电池；热管理；蛇形气体流场；冷却流场；均匀温度指数
介绍
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为直流电和热能的电化学能量转换器。如今，燃料电池由于其良好的环境相容性和高效的[1]性能而备受关注。在设计PEMFC和提高其效率上，热管理和水管理是两个重要的相互关联的课题。燃料电池产生的热量包括熵热、不可逆的电化学反应和欧姆电阻热[2]，三者大约分别占总产热的35%、55%和10%。事实上，熵热是电化学反应中熵的变化，也称为可逆热，当有电流流过时，为了保持恒定的温度，必须将其从电极上处理掉。其他研究表明，由于阴极和阳极的不对称性和过电位而引起的熵变化在阴极处产生了更多的热量[3-6]。不适当的热管理会导致不同的热问题。其中，膜缺水和阴极水淹是两个基本问题。一些因素导致膜缺水，从而增加质子电导率的阻力，如低相对湿度、高化学计量比(高空气流量)或高温。如果没有合适的水供应，这种情况下很容易使膜缺水。造成这种干旱的另一个因素是电渗透阻力(质子将水分子从阳极拉到阴极)[7-8]。有着适当性能的合适的冷却流场设计在增加PEMFC的
寿命上起到关键作用，因为温度不均匀造成了不同地方的电化学反应速率不同，导致热点的形成，从而降低了PEMFC的稳定性和耐久性。在燃料电池电堆中，通常采用的冷却方法是在阳极和阴极之间设计具有内部冷却通道的双极板。Chen等人[9]通过恒热通量壁对冷却流场结构进行传热性能研究，优化了质子交换膜燃料电池电堆的冷却流场设计。提出了均匀温度指数(IUT)的概念，即在整个冷却板区域内的温度变化，它用来评价冷却板上的温度分布均匀程度。分析比较了三种蛇形模型和三种平行模型。结果表明，与平行模型相比，蛇形构型具有较低的IUT(较好的冷却效果)，而对冷却通道压降的比较表明，平行模型比蛇形模型的压降更低。因此，冷却效果与压降之间的优化需要进一步研究。Adzakpa等人[10]考虑了单个燃料电池的三维动态热模型，研究了采用空气冷却时燃料电池从底部到顶部的温度分布。模型采用有限差分法建立，并在Matlab/Simulink环境下实现。结果显示，细胞顶部的温度比底部的温度要高，差异高达5℃。此外，电堆间不同电池空气冷却的不均匀性导致了较大的温度变化，最高可达8℃。Sangseok Yu和Jung[11]研究了具有大活动区域的PEMFC系统的热管理策略。他们改进了PEMFC的热模型和热管理系统，以研究热管理的标准。他们的燃料电池模型包括水通过膜电解质的传输、阴极催化剂层的电化学反应和燃料电池内部的二维温度分布的子模型。建立了散热器、冷却泵和风机的热力管理系统模型，并进行了温度分布效应与泵寄生损耗之间的权衡。他们的输出结果包括以下部分：燃料电池的最高温度被建议作为代表操作温度，因为它比其他可能的温度更容易测量和监控。建议对冷却风机进行反馈控制，以最高运行温度作为反馈信号。操作温度的参考值取决于系统，并应根据膜的耐久性和系统的暂态安全裕度来确定。考虑温度分布对燃料电池性能的影响和泵的寄生损耗之间的权衡，冷却泵的运行应该被监控以实现更高的净发电量。Kandlikar和Lu[12]研究了PEMFC的热管理和水管理。由于水和热的耦合输运机制是密切相关的，他们讨论并计算了燃料电池所有部分的产热，包括双极板、催化剂层、气体扩散层和膜，并表明阴极催化剂层的产热大于阳极催化剂层。Seung Ho Yu等人[13]模拟了六种冷却流场，包括蛇形流场、多通道蛇形流场(MPSFF)和螺旋流场，并对冷却流场施加恒定的热通量。结果表明，MPSFFs的最大温度和温度均匀性均优于传统的蛇形流场。同时也研究了雷诺数和热流密度对冷却性能的影响。增加雷诺数或降低热流导致最高温度、温度梯度和温度均匀性呈线性下降。Carton等人在一个PEMFC上设计了一个实验研究，研究在三种不同的流场结构下（蛇形、迷宫和平行流场），哪些参数对燃料电池性能会有影响。他们考虑了影响PEMFC输出电压、电流、功率和效率的输入参数。结果表明，平行流板在较高压力下的性能较好，但总体上蛇形流板的性能较好。Seung Man Baek等人[15]也研究了不同的冷却流场，并从压降、温度均匀性和最高温度三个方面进行了分析和比较。结果表明，多通道蛇形流场比常规蛇形流场具有更好的性能。Sasmito等人[16]研究了加入液态水的冷却剂板对PEMFC性能的影响。结果表明，在冷却剂板之间放置的电池数量影响了电堆的热包膜和电池性能。当更多的电池被放置在冷却剂板之间时，除非冷却温度降低，否则由于温度的升高和薄膜中含水量的减少，电堆的性能会下降。此外，当冷却剂速度从0.5m /s增加到2m /s时，PEMFC的性能提高了5%。因此，增加冷却剂速度和在冷却剂板之间放置更多的电池可以提高燃料电池的性能。Sasmito等人[17]的各种热管理策略，包括在以液体或空气作为冷却剂的专门设计的冷却板/通道上的强制对流，边缘空气采用加强肋冷却；在PEMFC电堆外结合氧化剂和冷却剂流(开放式阴极)与强制对流和自然对流空气冷却。他们还研
术语命名
a 阳极的比表面积，m-1
alpha; 水的活性
CP(g) 气体混合物的比热容， JKg-1 K-1
Ci,ref 物质i的参考摩尔浓度，mol m-3
D 直径，m
Di(g) 物质i的扩散率，m2s-1
D（m）H2O 膜内水的扩散率，m2s-1
EW 膜的等效质量，kg mol-1
f 达西比例系数
F 法拉第常数，C mol-1
H 高度，m
Hvap 水的汽化热，W
I 电流密度，Acm-2
IUT 均匀温度指数
J 交换电流密度，Acm-2
k 热导率， Wm-1K-1
L 长度，m
mem 膜
mH2O 由于水的凝结或蒸发而引起的相间传质，kg mol-1s-1
Mi 物质i的分子质量，kg mol-1
M（m） 干膜的等效质量，kg mol-1
nd 电渗透阻力系数
ni（g） 物质i的质量流量，kg m2s-1
P(c) 细管压力，Pa
P(g) 气体绝对压力，bara
Pi 功率，W
Q 热量，W
q 流量，kg s-1
R 通用气体常数，J mol-1K-1
Re 雷诺数
s 液体饱和度
S 源项
St 化学计量数
T 温度，K
u，v，w 速度，ms-1
U0 热力学平衡电势，V
V 电压，V
x，y，z 坐标，m
自由能改变量
熵变
物质i的质量分数
alpha; 传递系数
相对湿度，%
gamma; 浓度依存关系
泵效率
Greek（希腊字母）
孔隙度
阳极/阴极催化层中离子的体积分数
含水量
动态粘滞度，kg m2s-1
密度，kgm-3
总应力张量，Nm-2
电导率，sm-1
质子电导率，sm-1
离子阶段电势，V
固体阶段电势，V
Superscripts（上标）
(c) 细管
(cool) 冷却
eff 有效的
(g) 气相
in 入口
(l) 液相
(m) 膜
ref 参考
(s) 固体
sat 饱和
Subscripts（下标）
a 阳极 O2 氧气
act 活跃的 OC
avg 平均 pot 电势
bp 双极板 ref 参考
c 阴极 rib 肋状物
ch 通道 rev 可逆的
cl 催化层 temp 温度
CV 控制体积
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