英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
多级通道新型模块流形燃料电池堆的空气分布均匀性CFD分析
摘要
多个燃料电池通常串联或并联，以提供足够的功率输出。因为电池堆的性能受到最小电池单元的限制，所以向每个燃料电池提供均匀分布氢气和空气是一个关键的挑战。现阶段人们已经研究了各类歧管以改善电池堆中各个燃料电池之间的燃料流动分布均匀性。然而，获得令人满意的流体均匀性是十分困难的，并且现有的流场设计也难以拓展。因此，本研究设计并优化了树型模块化歧管。并且本研究在气流分布均匀性和整体压力损失方面，对两种不同的通道尺寸进行了比较。通过CFD数值模拟研究了通道长度和空气流量对均匀性和压降的影响。结果表明，在单一燃料电池的空气流速范围内，空气流动均匀度约为0.99，这是现有文献报道中的最高数值。此外，还解释了将多个模块式流场与自定义流场集成在一起的方法，用于为更大的燃料电池堆分配空气。
关键词：流场分布，均匀性，一致性，燃料电池堆，多级渠道
1 简介
单个燃料电池的电压输出通常在0.5和1 V之间，因此多个燃料电池通常串联连接以产生足够高的功率输出[1,2]。燃料电池堆的一个关键挑战是燃料和空气输送到每个单独电池并且让它们均匀分布，因为燃料和空气流的分布不均匀会对燃料电池堆性能造成非常不利影响[3,4]。由于燃料电池中的电化学反应受反应物浓度的显著影响，因此最小燃料电池单元决定了燃料电池组的整体性能[5]。不均匀的电化学反应也可能导致很多问题，诸如加热不均匀性，水淹和膜干燥等问题，这增加了燃料电池单元的故障风险[6,7]。单个燃料电池的故障也有可能导致整个燃料电池堆的故障[8,9]。
研究人员做了很多工作，以便在燃料电池堆中实现更均匀的流量分配。通常使用歧管来改善不同单元之间的反应物流动分布。内部和外部歧管是燃料电池堆中的两种常见类型。与内部歧管相比，外部歧管具有结构简单，成本效益好，对燃料电池堆的热效应最小等优点[5]。另一个需要考虑的问题是整个歧管内燃料和空气的压降。高压降不可避免地增加了驱动反应物所需的泵功率[10]。因此，理想的歧管应确保在电池堆中的每个独立电池单元中均匀地供应燃料和空气，同时保持较低的压力损失。
现阶段，人们已经使用数值模拟和实验方法研究了不同类型的歧管和燃料电池堆结构[11-14]。迄今为止，在实际应用中，长笛型歧管仍然是最主要的燃料电池组歧管类型。U型和Z型是槽型歧管的两种最常用的配置，在这两种歧管形式下，通过歧管的入口和出口的流量总是垂直于电极通道中的流动方向[15,16]。Koh 等人[17]提出了一种系统的算法来通过数值模拟求解两种流形中的流量分布和压力损失。Bi等人[5]研究了具有3个入口和3个出口的U形外部歧管。CFD数值模拟结果显示出口歧管宽度与进口歧管宽度之比是影响流动均匀性的关键性独立参数。最佳比例是从1.49线性增加到1.56，电池堆中的单电池单元数量从24线性增加到40[18]。数值和实验研究了几种不同的U形歧管设计，分别为有两个入口的和一个出口的。结果表明雷诺数（Re）很大程度上影响着流量分布，较为理想的范围是燃油流量Re在20-50的范围内，并且空气流量Re在200-300的范围内。Weitbrecht等人[19]通过实验研究了水流在Z形歧管中的分布。Wang等人[20]从理论上研究了Z形歧管中的流量分布和压降。然而，U形和Z形歧管中的流动分布不均匀仍然是显著的。Chang等人[21]估计由200个电池组成的燃料电池堆中的单个电池之间的流量差为15％。在这种情况下，由于燃料和空气的不均匀分布，可能会导致各个燃料电池之间的电压差达到0.3 V。因此，研究人员和工程师仍在不断开发歧管的新配置。
Wang等人[4]提出了两种新的流场结构，分别是T-流形和C-流形。数值模拟的结果表明，与传统歧管相比，C-流形可以改善流动分布的均匀性。Li等人[22]提出了另一种具有多个分叉流道的流道结构。Liu和Li [23,24]研究了通道形状和尺寸对流量分布和压力损失的影响。优化的歧管有5级圆形通道。然而，每个通道的平均速度仍然有变化，特别是在Re高于400的情况下。甚至400的Re对应于与实际操作条件相差甚微的空气流量。在实际应用中，16个燃料电池堆中的空气流量Re通常大于2000。
现有歧管的另一个问题是，它们是特别设计用于具有一定数量的燃料电池堆。对于较大的燃料电池堆来说，情况就会变得有些复杂，因为单纯地放大这些歧管是具有一定程度上的困难大。如果设计师们随着燃料电池堆中燃料电池的数量而单纯放大歧管，那么它们将空气均匀分配到单个燃料电池中的能力是不可预测的，因为它们不是模块化的，这对于燃料电池的性能会产生不可预估的影响。
在此背景下，本文设计并优化了一种具有5级矩形通道的树型模块化流场。模块化流场的设计是将燃料或空气均匀地分配给带有16个单元的短燃料电池。模块化流场可以很容易地集成到为更大的燃料电池堆提供燃料或空气。空气流入单个燃料电池的均匀分布比氢气流动更困难，因为空气的流动速率通常是燃料电池中的好几倍。因此，目前的研究主要集中在气流的分布上。通过最小化信道网络中的熵生成，确定了模块流形的通道宽度。采用CFD数值模拟分析方法，研究了管道长度、气流率和Re对空气分布均匀性和压力损失的影响。最终确定了模块化流形的优化尺寸，提出了更大的燃料电池堆的集成方法。
2 歧管设计以及CFD边界条件设置
2.1 歧管设计
Bejan [25-27]开发了一种理论来优化树形流体流动网络的几何形状。为了获得最小熵产生，第i阶段和第（i 1）阶段中的信道的等效直径Deq需要满足以下关系。
|
(1) |
基于这种关系构建了一个五阶段树状流体流动网络。 每个通道的横截面都是矩形的。 图1显示了本研究中设计的模块化歧管的结构。 各阶段通道当量直径，宽度和深度的关系如下，
|
(2) |
其中Hi是第i个阶段中的频道深度; Wi是第i个阶段中频道的宽度。
|
图1 具有五级通道的模块化歧管的结构（a）歧管的三维模型; （b）流体流动的区域; （c）每个阶段的渠道规模。 |
接着，将考虑空气流速和Re，以此来确定第一阶段中的通道宽度。如表1所示，我们选择了两组宽度和深度。在情况1的设计中，每个通道的横截面是正方形，并且深度等于宽度。在情况2设计中，每个通道的横截面是矩形的，并且所有通道具有相同的5mm深度。这两个设计案例中虽然参数不同但是流道的总容量是非常接近。
|
表1 模块化歧管的通道尺寸 |
|||
|
阶段 |
Deq (mm) |
模型1 W（mm） |
模型2a W（mm） |
|
1 |
8.0 |
8.0 |
20.0 |
|
2 |
6.3 |
6.3 |
8.5 |
|
3 |
5.0 |
5.0 |
5.0 |
|
4 |
4.0 |
4.0 |
3.3 |
|
5 |
3.2 |
3.2 |
2.4 |
|
a 在这种情况下，所有通道的H均为5毫米 |
|||
由于歧管在工程应用中的安装和封装受到实际条件与工程情况的一定限制，所以每个阶段的通道长度必须受到约束。同时，渠道的长度也需要满足足够长的时间才能形成流量。否则，流量不可能平均分配到下一阶段的通道，会对燃料电池的工作性能产生影响。 每个阶段的通道长度被假定为：
|
(3) |
其中，C为一个常数。
2.2 CFD边界条件设置
首先在Creo中创建两种歧管设计的3D模型，然后将其导入到ICEM中进行网格划分。ANSYS Fluent用于数值模拟稳定状态下的流量分布和压降。室温空气被认为是通道中的流动气体。假定所有属性都是常数，并假定空气是不可压缩的。通道壁采用了非滑动边界条件并为歧管出口设置了压力出口边界条件。QUICK方案应用于求解控制方程中的对流项。采用SIMPLE算法求解压力场与速度场的耦合。收敛标准设为1.0times;10-6。通过计算Liu等人提出的树形渠道网络中的速度分布来验证CFD设置的准确性[15]。计算出的速度与本文报道的结果非常吻合。
图2显示了本研究中使用的3D模型网格划分示意图。Block方法被用来在ICEM中创建六面体网格。我们对每个设计都进行了网格依赖性研究，以便选择一个适当的网格数来限制计算成本并确保结果的准确性。根据实例1的歧管设计测试不同的网格数。入口空气流量设定为1700sccm（入口处的对应Re为3620）。网格数的影响由速度的相对差异（RDV）表征，其根据方程式（4）计算。
|
(4) |
在这个式子中，Vi是基于特细网格计算的第i个出口处的速度，Vi#39;是基于粗，中或细网格计算的第i个出口处的速度。
|
图2 模型的配合示意图 |
表2总结了基于粗，中，细和特细网格的数值结果差异。结果表明，细网格和超细网格之间的RDV仅为0.05％，几乎可以忽略不计。因此，精细的网格数为345万，足以获得准确的数值结果。图3显示了基于不同网格数的每个出口的计算平均速度。由分析可知，基于精细网格和超细网格获得的速度几乎相同。
|
表2 情况1歧管设计的电网独立性研究。 |
||||
|
较粗 |
中等 |
较细 |
极细 |
|
|
网格数量 |
829524 |
1783512 |
3447319 |
4178082 |
|
RDV（%） |
0.79 |
0.34 |
0.05 |
0 |
|
图3 基于不同网格数的出口平均速度 |
3 结果与讨论
歧管的第i个出口的无量纲空气流量和均匀性指数f在方程（5）和（6）得到定义。f被用来表征分布到不同燃料电池中的空气的均匀性。
|
(5) |
||
|
(6) |
在这两个式子中mout，i是第i个出口的输出空气流量，mout，ave是总共16个输出的平均输出空气流量。
3.1 通道长度的影响
通道长度对气流分布和歧管出口处压降的影响通过改变方程式（3）中的常数C来检验，并且在5-10的范围内。表3列出了不同阶段的频道详细长度。在研究通道长度的影响的同时测试了1700sccm的进气流速。
全文共11960字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[11087]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
|
表3 具有各种Li / Di，eq比率的不同阶段的通道长度。 |
||||||
|
阶段 |
Deq（mm） |
L（mm） |
||||
|
10 Deq |
8.75 Deq |
|||||
