大功率多堆PEMFC阴极空气进气均匀性设计

大功率多堆PEMFC阴极空气进气均匀性设计

赖钧明1, 姚萌1, 张蒙蒙1

1. 先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心（佛山仙湖实验室），佛山 528200

【摘要】基于某峰值功率200KW大功率三堆集成质子交换膜氢燃料电池( PEMFC)，使用稳态CFD分析技术对进气及排气管路进行开发，重点评价进气流量一致性和排气压降一致性。优化后方案满足设计目标。

关键词：PEMFC；多堆；空气进气；均匀性；CFD

*基金项目：××××××项目（######）。[样式：基金项目，######为项目编号]

1引言

氢燃料电池将化学能直接转换成电能，效率高于传统内燃机，同时排放产物仅为水，节约能源和保护生态环境，有望替代传统内燃机，成为新型车辆动力来源[1]。物流行业快速发展，大功率多堆集成燃料电池是一种发展趋势[2]。性能上，燃料电池极化损失主要与阴极空气侧反应速率相关，阴极空气控制至关重要[3] ，特别是大功率多堆燃料电池。

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,简称CFD ）技术常用于气道研发。本文基于某峰值功率200KW大功率三堆PEMFC，使用CFD对进气及排气管路进行稳态仿真计算，开发满足整车空间边界条件下的进气及排气管路，解决多堆进气均匀性难题。

2计算分析模型

本文研究的PEMFC。主体结构为三电堆卧式堆叠，进气管路和排气管路分别位于左右两侧。因为电堆内部尺寸小及复杂，如果采用‘进气-电堆-排气’的联合计算模型，需要引入电化学仿真分析，工作量巨大且繁杂。在本文中，对进气管路及排气管路分别进行设计和仿真分析，分别评价进气管路流量一致性和排气管路压降一致性，可以相对地确认阴极空气分配是否均匀。工程设计目标是进气流量偏差小于±5%和排气压降偏差小于±5%

1. 三堆卧式堆叠PEMFC  2. 集成端板  3.进气管路

4.进气截止阀  5.排气管路  6.排气截止阀

图1 某大功率集成3堆PEMFC结构

3进气管路基础方案及计算结果分析

基础方案主体结构是带稳压腔的进气歧管，配合3个进气支管进行流量分配。

图2 进气管路的基础方案

表1 进气管路计算边界条件

表2基础方案计算结果

结果来看，出口1流量低，出口3流量高，偏差大于±5%。进行流线分析：

1、稳压腔到支管1的过渡气流偏离壁面，堵塞支管1进气，导致流量偏低；

2、支管3位于稳压腔的末端，在流动惯性作用下，导致流量偏高。

图3 进气管路基础方案速度流线分布图

4进气管路改进方案设计及分析

图4  进气管路的两种改进方案

改进方案1在基础方案上，优化稳压腔到支管1过渡结构；改进方案2进一步调整各出口截面。

图5 进气管路改进方案速度流线分布图

优化稳压腔到支管过渡结构后，气流偏离壁面的情况得到处理，但是出口流量偏差大于±5%。因此，改进方案2调整各出口截面，流量偏差满足±5%目标。

图6 进气管路各支路流量偏差

5排气管路基础方案及计算结果分析

基础方案主体结构是汇流式排气歧管，采用3个支路进气口、独立支路设计减少各排气气流影响。

图7 排气管路的基础方案

表3 排气管路计算边界条件

表4 排气管路基础方案计算结果

结果来看，支管1压降小，支管3压降大，偏差大于±5%。

图8 排气管路基础方案速度流线分布图

进行流线分析：

1、气流基本在预设流道上，满足设计要求；

2、支管3流线受到支管2流线的侵蚀，导致支管3的流阻增大。

6排气管路改进方案设计及分析

改进方案1在基础方案上，增加支管3的通道截面，调整支管2与汇流总管的入口导流圆角。

图9  排气管路的改进方案

图10 排气管路改进方案1速度流线分布图

图11 排气管路各支路压降偏差

改进方案使支管2的气流更靠近里侧壁面，减少对支管3气流的侵蚀，各支路压降偏差满足±5%的目标。

7结论

1、带稳压腔的进气管路和汇流式排气管路的流动情况基本符合设计预期想法。

2、进气管路基础方案不能满足流量偏差小于±5%的设计目标，优化稳压腔到支管1过渡结构，调整各出口截面，改进方案2满足设计目标。

3、排气管路基础方案不能满足压降偏差小于±5%的设计目标，通过增加支管3的通道截面，调整支管2与汇流总管的入口导流圆角，改进方案满足设计目标。

参考文献

[1] Wu X, Liu J T, Shao J W, et al. International Journal of Hydrogen Ener2021, 46(57)- 29288.

[2] 李骏,节能与新能源汽车技术路线图2.0 [C]//中国汽车工程学会年会,上海, 2020.

[3]Bruno S. Machado, Mohamed Mamlouk, Nilanjan Chakraborty. Three-dimensionalagglomerate model of an anion exchange membrane fuel cell using air at the cathode-A parametric study[J]. Journal of Power Sources, 2019, 412.

作者简介：赖钧明、佛山仙湖实验室、发动机及燃料电池核心零部件设计主管工程师。