中國儲能網(wǎng)訊：燃料電池堆中單體電壓一致性較差通常與溫度一致性較差有關(guān)(端側(cè)電池與中區(qū)電池溫差較大)。采用傳統(tǒng)計算機仿真技術(shù)評估上百片燃料電池單體層疊形成的電堆溫度分布，通常計算資源巨大。本文分享本田汽車公司開展的Clarity燃料電池堆溫度分布評估研究。
本田汽車公司旗下2016版Clarity燃料電池汽車全球開創(chuàng)性使用雙電池單元結(jié)構(gòu)(3片單極板+2片MEA)，組成獨特的冷卻結(jié)構(gòu)。2016版Clarity燃料電池汽車沿用本田上一代FCX-Clarity燃料電池電堆波紋形流場設(shè)計，進氣形式采用水平逆流波紋形流場(相比上一代垂直波紋形流場)。2016版Clarity燃料電池堆由多片燃料電池單體、絕熱板、集流板、絕緣板、端板和殼體等組件構(gòu)成。為保持電堆溫度一致性和提高低溫環(huán)境適應(yīng)性，端側(cè)燃料電池單體(最外側(cè)燃料電池)和集流板之間布置有絕熱板(Thermal insulator plate)。
與電堆殼體接觸的端側(cè)燃料電池易向殼體、大氣環(huán)境釋放熱量，導(dǎo)致端側(cè)燃料電池溫度低于電堆中區(qū)(中部區(qū)域)燃料電池。當(dāng)端側(cè)與中區(qū)膜電極溫度相差較大，端側(cè)電池中冷凝(condensate)現(xiàn)象較為明顯。上述現(xiàn)象是引起燃料電池堆電壓不一致性中的一個重要因素。為降低端側(cè)與中區(qū)電池溫度差異，既要提高殼體部件的絕熱性能，又要通過與冷卻劑熱交換、載流部件產(chǎn)熱來向電池提供一定熱量。綜上所述，冷卻散熱每個燃料電池單體、將端電池溫度控制在合適水平(所有工況下)是燃料電池堆熱設(shè)計的重要考慮因素。
本田汽車公司在開發(fā)燃料電池堆過程中已成熟的應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，通過對商業(yè)化軟件進行原始修改來估算發(fā)電過程中燃料電池內(nèi)部環(huán)境。和一般燃料電池仿真技術(shù)一樣，由于需要評估平面方向上包括壓力、溫度和膜電極含水量等參數(shù)，導(dǎo)致了除溫度以外仍需其他參數(shù)的大面積計算問題。采用傳統(tǒng)計算仿真技術(shù)評價端電池和中部電池溫差有兩種方法：1.對單電池，在電池厚度方向上向輸入?yún)?shù)項增加一個散熱項，關(guān)注端電池即可；2.對形成燃料電池堆的所有單體和殼體組件進行耦合計算。第一種方法尚未考慮電堆中多片電池串聯(lián)導(dǎo)致的溫降，不適合高精度評估；第二種方法雖可以高精度預(yù)測端電池溫降，但需大規(guī)模計算。本田汽車公司在不進行大規(guī)模計算前提下，高精度估算出Clarity燃料電池堆層疊方向任一位置處的膜電極溫度。
計算方法驗證
2016版Clarity燃料電池汽車電堆的水氣流動方向如下圖所示，空氣和冷卻劑流動方向相同，氫氣則相反。氫氣、氧氣和冷卻劑是發(fā)電過程中影響散熱的三種換熱媒介。通過電堆進出口的溫度變化和物理性質(zhì)值(熱容和流量)計算換熱量，可以確定電流密度分別為0.03 A/c㎡、0.1 A/c㎡、0.3 A/c㎡、0.7 A/c㎡、1.5 A/c㎡發(fā)電條件下?lián)Q熱媒介的主要熱交換系數(shù)。
下圖為不同電流密度工況下氫氣(空氣)與冷卻液的熱交換量比值。結(jié)果表明，氫氣和空氣的熱交換量與冷卻液熱交換量比值最大在3%左右。兩種氣體和冷卻液熱交換量比值大小取決于電堆電流密度(因為氣體和冷卻液的進口溫度和流速均不等)。注意，電堆端側(cè)氫氣熱交換量負值是因為電堆結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，即氫氣流動方向和冷卻液相反。
膜電極的溫度變化主要受熱傳導(dǎo)(平面方向)和熱傳遞(厚度方向)影響，如下圖所示。當(dāng)膜電極平面方向熱傳導(dǎo)最為顯著時，膜電極平面方向溫度分布較均勻(不受冷卻液從電堆入口到出口的溫度梯度影響)。相反，當(dāng)膜電極厚度方向熱傳遞最為顯著時，膜電極平面溫度分布隨進出電堆冷卻液溫度梯度變化。
本田汽車公司在2016版Clarity燃料電池汽車電堆溫度分布研究中選取了電堆中區(qū)燃料電池單體的3個測量點(依冷卻液前進方向分進口、中間和出口)，運行條件為0.1 A/c㎡電流密度暖機工況。下圖分別為測量點示意圖和溫差圖(進口溫度作為基準(zhǔn))。結(jié)果表明，膜電極平面方向溫度分布和冷卻液溫度分布相同。換言之，膜電極溫度與膜電極和冷卻劑之間的熱交換量緊密相關(guān)，而與其平面方向的熱傳導(dǎo)次相關(guān)。
綜上所述，氫氣(空氣)和燃料電池堆熱交換量和膜電極平面方向的熱傳導(dǎo)等因素對膜電極溫度影響較小，可以忽略不計。因此，可以將每個組件在電池平面方向上集中為一點。本田汽車公司之前已經(jīng)對2016版Clarity燃料電池平面方向溫度分布進行了研究，本次計算機仿真技術(shù)考察對包括殼體組件在內(nèi)的電堆層疊方向的溫度分布。雖然三維尺度下的相關(guān)參數(shù)對計算結(jié)果有著不可忽視影響，如雷諾數(shù)(表征湍流強度)，但其計算量龐大。因此，除了通用的計算方程和物理參數(shù)外，本田汽車公司基于大量實驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在計算模型中加入了修正項，確保計算進度較高和計算量較小。經(jīng)過充分考慮傳感器誤差和波動，實驗與仿真對比后發(fā)現(xiàn)，溫度評估精度和實驗值相差±5%。
計算仿真結(jié)果
仿真計算中選取電流密度分別為0.03 A/c㎡、0.3 A/c㎡、0.7 A/c㎡、1.5 A/c㎡的車用典型工況。對比中區(qū)電池、端電池和端板處溫度的實驗與仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，每種穩(wěn)態(tài)工況下仿真結(jié)果最大溫度誤差與實驗值相差3.7%，吻合良好，表明燃料電池堆層疊方向的瞬態(tài)熱傳遞仿真不局限于特殊運行工況，適用于從低負荷到高負荷的全操作窗口。
使用傳統(tǒng)的二維或三維計算機仿真工具，需要使用工作站級別的計算資源。通常，僅燃料電池堆中單片中區(qū)電池暖機工況的計算就需要花費數(shù)天甚至更久。相反，本田汽車公司采用的該電堆層疊方向溫度仿真計算技術(shù)，使用一臺筆記本即可，僅需60 s。即使涉及到電池平面多個點計算，完成整個仿真也花費幾分鐘左右。
