CTM蓄电池风冷燃料电池供气方式优化

ctm蓄电池风冷燃料电池供气方式优化

风冷电池属于半开放式燃料电池，阴极氧气由风扇供给，同时通过风冷的方式带走电堆反应热，发挥散热作用。在实际设计过程中，需要优化风冷燃料电池电堆的供气方式，保证电堆供气效率，从而提高膜电极利用率和电堆效率。

1.研究背景

风冷燃料电池电堆采用小型风扇供气。小型风扇属于周期性旋转机械，供气方式可以分为吸入式和吹入式，供气方式引起的气体分布情况会影响膜电极利用率和电堆的发电效率，因此，优化其供气方式是十分有必要的。

2.几何建模及前处理

风冷电堆采用轴流离心式风扇供气。风扇通过电机正反转时可以改变进气方向，实现吸气和吹气两种供气方式。前端是离心风扇搭配外壳，电堆为阴极开放式的直流道双极板，两者构成进出风循环系统。模型前处理采用六棱柱网格进行划分，旋转参考系来模拟风扇旋转。进、出口均采用开放边界条件，叶轮转速固定在5800rev/min，给定正、反转速度来控制供气方式，电堆结构见图1。

图1.风冷燃料电池电堆模型。

3 仿真结果与分析

3.1流动速度情况对比。

提取两工况下的速度云图，通过图2(a)的速度云图可以看出，由于叶轮旋转提供动力，在风机叶片周围同样存在明显高于大部分流场区域的流速，且整场流速内部偏低，在流道渐扩区域出现了一定的高低速分区，并且伴随一定的内部涡旋。在图2(b)中，高速区同样集中于叶片周围，区别于吸入供气方式，在叶轮及后端的整个流道区域中高流速区域面积占比更大，整个流场流速更加均匀，气流阻滞情况得到有效缓解。

图2.速度云图

3.2流道流量对比

通过定点裁切的方法，提取堆芯横向24个流道流量进行对比。发现在吸入供气方式下，两侧外端6个流道出现了明显返流，向外返流情况越严重。吹入供气方式下,内部不仅未出现返流情况,且各流道之间的流量分配更加均匀，整体呈现出靠近叶片两端的流道流量大，向堆芯中心的流道流量逐级递减的现象。

4结论

在常规风冷燃料电池中,吸入供气方式会在气体扩散区产生较多涡旋和流道返流，阻碍整个风冷电堆的供气和散热，换用吹入供气方式之后，气体流通的驱动力增加，供气效率升高，电堆供气量明显增大，气流返流情况明显改善，气体分配不均和涡旋情况明显减弱，其流动一致性和内部气体分布也明显优于吸入供气方式。