引言与其他燃料电池相比，质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有快速启动、高功率密度、使用寿命长及工作温度较低等优势，能够以较高的效率利用氢能产电[1-2]。由于具有快速启动能力及安全性，PEMFC在军事与航空航天领域同样具有广阔的应用前景。PEMFC属于低温燃料电池，工作温度通常在60~80 ℃，化学反应中近一半的化学能转化为热能[3]。为了保证PEMFC在适宜工作温度阈值内高功率输出，需要开启热管理系统进行温度控制及热平衡管理。优化PEMFC冷却流道结构是强化换热性能的有效方式，从而防止产生局部热点损害其性能及耐久性，更好地利用燃料电池余热作为吸收式热泵的解吸热源[4-5]。罗鑫[6]等探究单蛇形流道、指交流道、双边指交单蛇形流道换热单边指交单蛇形流道，对比氧气浓度分布均匀性等实验参数，得出单边指交单蛇形流道的换热性能最佳。李宇婷[7]等采用仿雪花形状的流道进行极板冷却，与传统双蛇形流道的冷却方式横向比较，使换热性能达到后者的1.45倍。MATIAN[8]等通过CFD仿真模拟3种不同几何参数的冷却流道，讨论电池温度分布得出最有效平衡温差的冷却通道。AFSHARI[9]等设计锯齿形流道，集流板表面最高温度、最大温差及温度均匀性得到改善，其换热性能明显优于平直流道。KURNIA[10]等模拟计算8种不同流道结构的冷却流道，结果表明，螺旋式冷却流道的温度均匀性更高，但同时存在很大的压降损失。燃料电池冷却流道的几何结构仍需进一步优化设计以增强其换热效果。文中建立竖向蛇形流道、横向蛇形流道、平行螺旋耦合流道及波浪形流道的三维稳态模型，采用多物理场数值解对温度场及冷却液压力场进行分析，探究不同入口流量下的极板表面最高温度、表面最低温度、表面最大温差、进出口压降及表面温度均匀性。1数学模型1.1流体力学模型质量守恒数学方程为：∂ρ∂t+∂ρu∂x+∂ρv∂y+∂ρw∂z=0 (1)式中：ρ——密度，kg/m3；t——时间，s；u——速度沿x方向上的分量，m/s；v——速度沿y方向上的分量，m/s；w——速度沿z方向上的分量，m/s。对于不可压缩流体，密度为常数。动量守恒数学方程为：∂u∂t+∂uu∂x+∂uv∂y+∂uw∂z=-1ρ∂p∂x+v∂2u∂x2+∂2u∂y2+∂2u∂z2+Fx (2)∂v∂t+∂vu∂x+∂vv∂y+∂vw∂z=-1ρ∂p∂y+v∂2v∂x2+∂2v∂y2+∂2v∂z2+Fy (3)∂w∂t+∂wu∂x+∂wv∂y+∂ww∂z=-1ρ∂p∂z+v∂2w∂x2+∂2w∂y2+∂2w∂z2+Fz (4)式中：Fx——体积力沿x方向分量，N；Fy——体积力沿y方向分量，N；Fz——体积力沿z方向分量，N。能量守恒数学方程为：∂ρT∂t+∂ρuT∂x+∂ρvT∂y+∂ρwT∂z=∂∂xkcp∂T∂x+∂∂ykcp∂T∂y+∂∂zkcp∂T∂z+S (5)式中：T——传热表面温度，K；k——传热系数，W/(m2∙K)；cp——比热容，J/(kg∙K)；S——黏性耗散项。1.2质子交换膜燃料电池的换热模型1.2.1热传导冷却液与冷却流道间存在温度差异而发生对流换热时，壁面附近存在1个温度梯度较大且很薄的热边界层。在热边界层中，热传导占换热的主导地位。ϕ=-λAdtdx (6)式中：ϕ——换热量，W；λ——导热系数，W/(m∙K)；A——极板冷却表面积，m2。1.2.2热对流在热边界层以外的主流区，换热方式主要为热对流。ϕ=hAtw-tf (7)式中：h——表面能换热系数，W/(m2∙K)；tw——壁面温度，K；tf——流体温度，K。2仿真模型2.1几何模型建立大型燃料电池的集流板与冷却流道层模型，因其具有对称的几何结构，仅需建立一半的模型以减少计算量，几何尺寸为200.0 mm×100.0 mm×3.5 mm。A型流道质子交换膜燃料电池几何模型如图1所示。4种冷却流道结构如图2所示。详细几何参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.007.F001图1A型流道质子交换膜燃料电池几何模型10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.007.F002图24种冷却流道结构10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.007.T001表14种冷却流道的几何参数流道类型参数数值A型流道流道数量3流道截面尺寸/(mm×mm)4×2流道间隔距离/mm2岸宽/mm2（左右侧岸宽）B型流道流道数量3流道截面尺寸/(mm×mm)4×2流道间隔距离/mm2（六条平行流道间）；1（三条平行流道间）岸宽/mm3（上下侧岸宽）C型流道流道数量3流道截面尺寸/(mm×mm)4×2流道间隔距离/mm2岸宽/mm0D型流道流道数量13流道截面尺寸/(mm×mm)4×2流道间隔距离/mm2岸宽/mm4~9波动幅值/mm9流道波动初相角/(°)0流道波动频率/Hz0.052.2网格划分流动面构建基于流体力学的四边形面网格，每个模型的总网格数均在2.3×105左右。针对集流板与流体换热边界处等细微部件，对网格分布进行加密，以保证仿真结果的精度。2.3边界条件及参数设定针对冷却板整体域的物理场边界条件设定如下：（1）冷却液入口采用层流速度入口边界条件，规定入口速度及入口温度。v=vin (8)T=Tin (9)式中：vin——入口速度，m/s；Tin——入口温度，K。（2）冷却液出口采用压力出口边界条件，规定压力和温度的流向梯度为零，出口速度为未知，通过相邻位置迭代计算得出：p=pout (10)n·∇T=0 (11)式中：pout——出口压力，Pa；n——单位矢量。（3）假设在固体底壁面产生固定的热流密度。n·ks∇T=Q (12)式中：ks——导热系数，W/(m∙K)。（4）固体与流体交界处采用壁面无滑移条件，且允许共轭传热。u=0 (13)式中：u——近壁处速度，m/s。模型中冷却液为不可压缩理想流体，规定入口温度为333.15 K，固体底壁面规定边界热源Q=9 330 W/m2，对于流道边界设置传热与流体两个物理场的对称边界条件以简化计算过程。利用控制变量法，分别对入口流量为0.60×10-5 m3/s、0.72×10-5 m3/s、0.84×10-5 m3/s、0.96×10-5 m3/s、1.08×10-5 m3/s和1.20×10-5 m3/s时集流板温度分布的数值模拟。3结果分析及讨论3.1流道形状对温度分布的影响入口流量为0.96×10-5 m3/s时不同流道形状的集流板表面温度分布如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.007.F003图3入口流量为0.96×10-5 m3/s时不同流道形状的集流板表面温度分布由图3可知，A型流道与B型流道存在弯道，使冷却液在流道中存在扰流，加强了转弯处的换热能力，温度沿流道方向逐渐升高，并在出口处附近出现温度最高点。C型流道为新型设计结构，耦合了螺旋与平行流道的双重特点，温度以4个螺旋中心为温度峰值向四周梯度递减。D型流道为波浪形，具有交错的冷却液进出口，因其特殊的几何边界使极板边缘处存在较大面积岸宽，无法高效换热，致使边缘处具有较高的温度。3.2入口流量对极板表面最高温度的影响极板表面最高温度与入口流量的关系如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.007.F004图4极板表面最高温度与入口流量的关系由图4可知，随着入口流量的逐渐增加，极板表面最高温度随之下降。A型流道的最高温度始终低于72 ℃，若要使B型流道的最高温度低于72 ℃，其入口流量需要达到0.9×10-5 m3/s。随着入口流量的增加，C型流道最高温度始终低于75 ℃，最高温度仅次于A型流道。D型流道因热桥效应，随着入口流量增加，其最高温度呈下降趋势，且在入口流量为0.95×10-5 m3/s处最高温度低于B型流道。若继续增加入口流量，C型流道的极板表面最高温度可能会低于A型流道。3.3入口流量对极板表面最低温度的影响极板表面最低温度与入口流量的关系如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.007.F005图5极板表面最低温度与入口流量的关系由图5可知，在表面热流密度与入口水温不变的条件下，极板表面最低温度随入口流量的增加呈逐渐下降趋势。随着入口流量的增加，A型流道最低温度从60.07 ℃下降至60.01 ℃，下降了0.06 ℃；B型流道最低温度从60.10 ℃下降至60.05 ℃，下降了0.05 ℃。三流道并行的蛇形流道在入口处附近具有较好的换热效果，因此入口流量的增加对其最低温度影响不大。随着入口流量的增加，C型流道与D型流道在换热上的优势逐渐明显，最低温度与其下降梯度逐渐减小并趋于稳定，这表明入口流量对最低温度的影响逐渐减小。3.4入口流量对极板表面最大温差的影响极板表面最大温差与入口流量的关系如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.007.F006图6极板表面最大温差与入口流量的关系由图6可知，随着冷却液入口流量的增加，4种极板表面最大温差与下降梯度均呈递减趋势，预测极板表面温度将趋于一平衡温度。入口流量为0.6×10-5 m3/s时，A型流道的极板表面最大温差最小，若想达到同一水平，B型流道入口流量需要达到0.96×10-5 m3/s，C型流道入口流量需要达到0.72×10-5 m3/s，D型流道入口流量需要达到0.84×10-5 m3/s。考虑电池安全性，极板表面最大温差一般不超过15 ℃。对于B型流道，其入口流量超过0.62×10-5 m3/s时才能满足这一条件。3.5入口流量对进出口压降的影响进出口压降与入口流量的关系如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.007.F007图7进出口压降与入口流量的关系由图7可知，随着入口流量的增加，A型流道进出口压降上升梯度也随之增加，因为冷却液在长距离的平直流道与众多弯道中的沿程阻力与动力损耗逐渐增大。C型流道因其螺旋几何结构存在弯道造成冷却液在流动中存在动能损失，但其具有平行流道的特点，进出口压降得到一定限度的降低。与其他3种流道相比，D型流道的进出口压降数量级较小，但仍存在上升现象。3.6入口流量对极板表面温度均匀性的影响温度标准偏差反映了极板表面各点温度距极板表面平均温度的离散程度，其值越小，温度分布越均匀；其值越大，温度分布越不均匀。温度标准偏差σstd为：σstd=∫A T-TavrdA∫A dA (14)Tavr=∫A TdA∫A dA (15)式中：Tavr——极板表面平均温度，K。极板表面温度均匀性与入口流量的关系如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.007.F008图8极板表面温度均匀性与入口流量的关系由图8可知，在相同入口流量下，B型流道的温度标准偏差始终高于1.5，远高于其他3种流道。入口流量从0.6×10-5 m3/s增加至1.2×10-5 m3/s时，A型流道与D型流道的温度标准偏差呈下降趋势，入口流量为0.7×10-5 m3/s时，A型流道的温度标准偏差小于D型流道。C型流道的温度标准偏差随入口流量的增加存在上升的趋势，但其最高值为0.075 6，小于同工况下其他3种流道的温度标准偏差。4结语基于大型燃料电池热管理优化设计了4种冷却流道，建立三维稳态模型，探究燃料电池汽车吸收式热泵的PEMFC冷却流道强化换热规律。结论如下：第一，针对大型燃料电池，随着冷却流道入口数量的增加与冷却流道间距的缩小，冷却液的换热性能得到有效提升，可以保证极板温度处于合适的工作温度阈值内。第二，热点的存在易破坏燃料电池极板结构且消耗燃料电池寿命，而弯道处的扰流可以强化换热效果。因此，实际工程应用中应尽量避免设计直流道分布过多、弯道分布较少的冷却流道结构。第三，在相同的入口流量下，随着弯道数量的增多，冷却液循环泵功耗逐渐升高。蛇形流道换热性能强的原因是弯道较多，但也导致泵功耗较高。相比之下，平行螺旋耦合结构的单位泵功率换热性能更加出色，极板表面温度均匀性更为优良。第四，入口流量由0.6×10-5 m3/s升高至1.2×10-5 m3/s时，随着流速的升高，泵功耗逐渐增加，极板表面温度分布越均匀。但流速过高时改善效果有限，因此在保证燃料电池高效运行的前提下，应选择适当冷却液流速，使得单位泵功率换热性能最优。