燃料电池冷却系统三通管的设计及优化

刘洪建，王聪康，崔洪坡，周博孺，李国祥，王桂华

(1.山东大学 能源与动力工程学院，山东 济南 250061；2.苏州弗尔赛能源科技股份有限公司，江苏 昆山 215300)

0 引言

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrance fuel cell,PEMFC)具有能量密度高，启动速度快等优点[1]，其发电效率最高可达60%左右[2]，排放物仅为水,对环境无污染，被认为是最具潜力的未来车用动力源之一[3]。在实际应用中，燃料电池都是以燃料电池系统的形式来运行[4]。PEMFC系统由电堆和辅助系统组成[5]。其中，燃料电池辅助系统又包括供气系统、增压系统、加湿系统、水热管理系统等[6]。

冷却水循环系统作为燃料电池水热管理系统的重要组成部分[7]，能够带走电堆产生的废热以保证电池在最佳温度范围内工作。同时，对于具有多个电堆的燃料电池系统而言，冷却水管路既要保证各电堆流量分配的一致性，又要求管路压降不能太大，以免产生过多的辅助系统寄生功耗。因此，针对某燃料电池冷却水管路系统设计三通管以分流冷却水，并对原有的结构进行优化以满足系统的设计要求。

1 冷却水流场数值模拟

通过分析冷却水管内压力、流量和速度等分布情况判断冷却水三通管的设计是否符合需求,当前CFD技术已广泛应用于PEM燃料电池流场仿真[8]，本研究中利用CFD技术对所设计的三通管内冷却水的流动情况进行数值模拟，得到冷却水流量分配及管路进出口压降情况。

1.1 冷却水流动控制方程

将管内冷却水的流动视为稳态的、三维的、有黏性的、不可压缩流体的湍流流动[9]，暂不考虑与管壁的热交换及非稳态项的影响[10]。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、能量守恒方程和k-ε双方程[11]，控制方程采用直角坐标系的张量形式表示为[12]：

(1)

采用修正的k-ε湍流模型(Realizable湍流模型)计算雷诺应力，雷诺应力用Boussinesq方式可表达为：

(2)

(3)

(4)

式中：p为雷诺应力;Cε1、Cε2、Cε3、Cε4、Cμ、σp、σk、σε分别为各项经验系数。

1.2 几何模型及物理模型

本文中燃料电池系统是由两个电堆组成的双堆系统。冷却水流经主散热器后由水泵输送至三通管入口主管路，经两根分支管道进入两个电堆进行冷却。从电堆流出的高温冷却水汇入出口总管后再送至主散热器，由此形成一个冷却系统的闭合回路。

图1 原三通管几何模型

设计的三通管进口主管路管径40 mm，两个出口支管管径20 mm，其模型如图1所示。考虑到三通管的设计特点，计算网格划分以六面体网格为主体网格，过渡处采用四面体网格建立冷却水道的流域[13]。采用去离子化处理的冷却水温度为55 ℃，密度为985.7 kg/m3,动力黏度为5.036 24×10-4Pa·s。根据实测进口流量设定入口速度为3 m/s，湍流强度4%；采用压力出口边界，出口压力由实测数据给定。固体壁面采用无滑移边界，即壁面上速度值为0[14]。对于动量方程采用二阶迎风差分格式，速度-压力耦合采用SIMPLE算法和亚松弛方法进行处理[15]。

2 计算结果分析及优化

针对优化前模型进行CFD数值模拟，其计算结果如图2～4所示(图2中单位为kPa,图3～4中单位为m/s)。分析图2、3可知，原模型主管路底部为平底状几何结构，流动方向因此发生数次剧烈的直角转弯，在底部出口附近区域形成很大的静压差，造成较大的局部压力损失。由图4(图中单位为m/s)可以看出，底部由于压差作用形成一个很大的漩涡区域，因而造成能量耗散。从数据统计结果来看，冷却水进口流量为2.709 kg/s，两个出口流量分别为1.353、1.356 kg/s，相差0.22%，均匀性很好，进出口流量满足守恒条件；进出口压降23.2 kPa，压降较大，该压降所造成的燃料电池冷却水循环系统的寄生功耗可达21.1%，因此需要对原三通管结构优化改进。

图2 优化前模型压力云图 图3 优化前模型速度云图 图4 优化前模型底部速度矢量

2.1 优化方案1

考虑到优化前模型主管路底部的边缘棱角较为明显，容易造成较大的局部压损，故优化方案1中主管路底部采用光滑的圆弧过渡，即把底部做成外凸的半球体结构，球面与主管路圆柱面相切。此外，适当缩短管路出口位置与主管路底部的距离，并把两个出流支管(相对于与主管路垂直的平面位置)向下倾斜5°～10°，以此进一步减少局部压降损失。

优化设计后的计算结果如图5～7所示(图5中单位为kPa,图6～7中单位为m/s)。对比图5、6可知，采用圆弧光滑过渡后，主管路底部的圆弧面起到了良好的引流作用，流动压力变化程度较小，局部压力损失明显减少。由数据统计可知，冷却水进口流量为2.705 kg/s，两个出口流量分别为1.356、1.348 kg/s，相差0.59%，均匀性很好,进出口流量满足守恒条件；进出口压降14.6 kPa，相比于原方案具有明显改善，此时三通管压降占燃料电池冷却水循环系统寄生功耗的比例为13.3%。但从图7(图中单位为m/s)可以看出，主管路底部依然存在一个较大的耗散漩涡，因此方案1仍有改进的空间。

图5 方案1压力云图 图6 方案1速度云图 图7 方案1速度矢量

2.2 优化方案2

方案2在方案1的基础上把主管路底部做成内凹的半球体结构，球面与主管路圆柱面相切，优化后的计算结果如图8～10所示(图8中单位为kPa,图9中单位为m/s,图10中单位为m/s)。分析可知，此时主管路底部出口区域附近流动过渡较为平缓，较大的耗散漩涡已消失，仅在底部两侧边角存在很小的耗散涡。由进出口统计结果可知，此时进、出口压降为13.4 kPa，相比于方案1降低8.2%，有了进一步的改善；该压降在冷却水循环系统中的寄生功耗仅为12.2%，相比于方案1降低8.9%。冷却水进口流量为2.709 kg/s，两个出口分别为1.352、1.357 kg/s，相差0.37%，均匀性很好,进出口流量满足守恒条件，因此，选择方案2作为最终的优化结构。

图8 方案2压力云图 图9 方案2速度云图 图10 方案2速度矢量

图11 优化前后压降结果对比

试验中采用压力传感器监测三通管进出口压差，测试结果如图11所示。可见仿真结果与实测值能较好地吻合，最大误差仅为7.5%，且测试结果也表明方案2能更好地满足设计要求。

3 结论

针对某燃料电池电化学反应产生的废热，设计三通冷却水管路系统以分流冷却水，并对管路的几何结构进行优化。结果表明，优化后的两种方案均满足流量分配均匀性的要求，但方案2比方案1压降减少8.2%，因而选择方案2作为最终的优化结构。最后通过试验证实仿真结果的可靠性，且实测结果也表明方案2能更好地满足设计要求。