燃料电池多通道蛇形流场的设计及优化
刘洪建1，王聪康2，周博孺1，白书战1，李国祥1，王桂华1
【摘 要】摘要：结合现有燃料电池流场设计的优点，为某燃料电池双极板设计多通道蛇形冷却水流道，利用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)技术进行流场仿真、改进和设计优化，进行试验验证。结果表明，仿真与试验结果吻合，原设计方案虽然满足压降和流量分配均匀性要求，但分支流道内流速过低，整个流场基本处于层流状态，不利于电堆散热。优化后的流场已基本发展为湍流，湍流度较高，增强了冷却效果，压降和流量分配也满足要求，表明优化方案冷却效果更好。 【期刊名称】内燃机与动力装置 【年(卷),期】2024(036)003 【总页数】6
【关键词】多通道；蛇形流场；设计；优化
引用格式：刘洪建,王聪康,周博孺,等.燃料电池多通道蛇形流场的设计及优化[J].内燃机与动力装置,2024,36(3):7-12.
LIU Hongjian, WANG Congkang, ZHOU Boru, et al. Design and optimization of multi-channel serpentine flow field for fuel cells[J].Internal Combustion Engine & Powerplant, 2024,36(3):7-12. 基金项目：国家重点研发计划项目资助(面向重型载货车用燃料电池发动机集成与控制)
0 引言
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有能
量密度高，启动速度快等优点，发电效率高达60%左右，排放物为水，无环境污染，被认为是最具潜力的未来车用动力源之一[1]。在实际应用中，燃料电池都是以燃料电池系统的形式运行。PEMFC系统由燃料电池电堆和燃料电池辅助系统组成。其中，燃料电池辅助系统包括氢气供给系统、空气供给系统、加湿系统、水热管理系统等子系统[2]。
冷却水循环系统是燃料电池水热管理系统的重要组成部分，能够带走电堆产生的废热，保证电池工作在最佳温度范围内。对于具有多个冷却水流道的双极板，冷却水既要保证各流道流量分配的一致性，又要求流道进出口压降不能太大，避免产生过多的辅助系统功率损耗。本文中针对某燃料电池双极板设计多通道蛇形冷却水流场，并进行数值模拟、冷却效果的优化以及试验验证，为双极板的流场设计提供参考。
1 多通道蛇形冷却水流场设计
目前燃料电池流场结构类型主要包括直通道形、蛇形、多通道蛇形、交指形、螺旋流道等[3]。直通道形结构简单、流场压降小，辅助系统的功率损耗也比较小，但是单电池之间冷却水分布不均匀，易造成电堆内部温度分布不均匀；交指形流场是一种不连续流场，反应气体在扩散层中强制对流，不适用于冷却流道的设计；蛇形流场可通过增减流道拐点的数目调节压降，由于流道数目较少，蛇形流场截面积相对较小，在相同压力下冷却水流速较大，有利于形成湍流，提高冷却水与流道壁面的换热效率，但单通道的蛇形流场由于流道较长，进出口压差较大；多通道蛇形流场是一种基于直通道和蛇形通道的折中方案[4]，具有直通道和蛇形通道的优点，压降和均匀性明显改善，得到广泛应用；螺旋流道[5]与蛇形通道类似，也存在压降大的问题，且流动易发生短路，结构复杂,
故实际应用不多。丰田Mirai总结了多孔流道和传统直通道的优缺点，创新性地提出了3D细网格流道，阳极板采用密流道/冷却液集成流场，使得燃料电池单片体积减少了24%[6]，但该结构的流道加工难度较大。
在设计流道时，除了应考虑流道形式外，流道尺寸对电池的性能也有很大影响。流道尺寸主要包括流道长度、宽度、深度以及岸宽等。本文中设计了三通道蛇形冷却水流场，结构如图1所示，整个双极板冷却水流场由6组三通道蛇形流场并行排布构成。
考虑到冷却水流量分配及流道压降，把通道截面设计为梯形截面，梯形通道的两个底边宽度分别为1.3和1.1 mm，通道深度为0.5 mm，单根流道总长度约500 mm，流道岸宽1.8 mm，通道截面如图2所示。
2 冷却水流场数值仿真
为了验证所设计的冷却水流场的效果，需要知道冷却水流道压力、流量和速度等分布情况。大多数流场都设置成若干平行通道的形式，此时通道压降也是整个流场的压降[7]。考虑到各组流道设计均相同，本文中利用CFD技术选取一组蛇形流场的流动情况进行数值仿真，得到冷却水流动状态、流量分配及流道进出口压降情况。 2.1 控制方程
蛇形流场优化前限流通道(即出入口总管)中冷却水流速较大，雷诺数大于2300；优化后的限流通道和分支流道中的湍流度进一步提高，整个流场已向湍流发展，因此需要用到湍流模型计算。将通道内冷却水的流动视为稳态的三维有黏性不可压缩流体的湍流流动[8]，暂不考虑温度变化对冷却水物性参数的影响。描述冷却水运动基本规律的控制方程为质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方
燃料电池多通道蛇形流场的设计及优化
