中國儲(chǔ)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)評(píng)估上百片燃料電池單體層疊形成的電堆溫度分布，通常計(jì)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(píng)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(dú)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(jì)，進(jìn)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(gè)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(gè)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(jì)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過對(duì)商業(yè)化軟件進(jìn)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(píng)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(jì)算問題。采用傳統(tǒng)計(jì)算仿真技術(shù)評(píng)價(jià)端電池和中部電池溫差有兩種方法：1.對(duì)單電池，在電池厚度方向上向輸入?yún)?shù)項(xiàng)增加一個(gè)散熱項(xiàng)，關(guān)注端電池即可；2.對(duì)形成燃料電池堆的所有單體和殼體組件進(jìn)行耦合計(jì)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(píng)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(jì)算。本田汽車公司在不進(jìn)行大規(guī)模計(jì)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(jì)算方法驗(yàn)證
2016版Clarity燃料電池汽車電堆的水氣流動(dòng)方向如下圖所示，空氣和冷卻劑流動(dòng)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(jìn)出口的溫度變化和物理性質(zhì)值(熱容和流量)計(jì)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?yàn)闅怏w和冷卻液的進(jìn)口溫度和流速均不等)。注意，電堆端側(cè)氫氣熱交換量負(fù)值是因?yàn)殡姸呀Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致，即氫氣流動(dòng)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(shí)，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(shí)，膜電極平面溫度分布隨進(jìn)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(gè)測量點(diǎn)(依冷卻液前進(jìn)方向分進(jìn)口、中間和出口)，運(yùn)行條件為0.1 A/c㎡電流密度暖機(jī)工況。下圖分別為測量點(diǎn)示意圖和溫差圖(進(jìn)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(duì)膜電極溫度影響較小，可以忽略不計(jì)。因此，可以將每個(gè)組件在電池平面方向上集中為一點(diǎn)。本田汽車公司之前已經(jīng)對(duì)2016版Clarity燃料電池平面方向溫度分布進(jìn)行了研究，本次計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)考察對(duì)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(duì)計(jì)算結(jié)果有著不可忽視影響，如雷諾數(shù)(表征湍流強(qiáng)度)，但其計(jì)算量龐大。因此，除了通用的計(jì)算方程和物理參數(shù)外，本田汽車公司基于大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在計(jì)算模型中加入了修正項(xiàng)，確保計(jì)算進(jìn)度較高和計(jì)算量較小。經(jīng)過充分考慮傳感器誤差和波動(dòng)，實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，溫度評(píng)估精度和實(shí)驗(yàn)值相差±5%。
計(jì)算仿真結(jié)果
仿真計(jì)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(duì)比中區(qū)電池、端電池和端板處溫度的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yùn)行工況，適用于從低負(fù)荷到高負(fù)荷的全操作窗口。
使用傳統(tǒng)的二維或三維計(jì)算機(jī)仿真工具，需要使用工作站級(jí)別的計(jì)算資源。通常，僅燃料電池堆中單片中區(qū)電池暖機(jī)工況的計(jì)算就需要花費(fèi)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(jì)算技術(shù)，使用一臺(tái)筆記本即可，僅需60 s。即使涉及到電池平面多個(gè)點(diǎn)計(jì)算，完成整個(gè)仿真也花費(fèi)幾分鐘左右。
