基于浴缸形湍流器的冷却通道设计，对质子交换膜氢燃料电池热管理性能提升的研究

《Renewable Energy》：Investigation on Thermal Management Enhancement in Proton Exchange Membrane Hydrogen Fuel Cell Based on Cooling Channels Design with Bathtub-Shaped Turbulators

本研究提出一种新型冷却通道设计，采用浴缸形湍流器提升质子交换膜燃料电池（PEMFC）热管理效率。通过1260-6299雷诺数范围内的稳态与瞬态数值模拟发现，浴缸形湍流器（尤其是凸起结构）显著增强热传递效率，在低雷诺数下表现尤为突出，同时使最大功率密度提升29.9-30.9%，净功率密度提高69.3-81.8%。混沌对流分析揭示了复杂流场（涡旋、二次流）对热性能的增强机制。

　　在当前全球能源结构转型的背景下，氢能源作为一种清洁、可持续的能源载体，正在逐步成为替代传统化石燃料的重要选择。氢燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池（PEMFC），因其高能量转换效率和低排放特性，被视为推动氢经济发展的关键技术。然而，PEMFC在运行过程中会产生大量的废热，这对电池的性能和寿命构成了严重挑战。因此，如何有效地进行热管理，确保燃料电池在最佳温度范围内运行，成为研究者关注的重点。

为了提升PEMFC的热管理能力，本研究提出了一种新型的冷却通道设计，该设计采用了具有浴缸形状的湍流增强结构。这种结构通过改变冷却通道的几何形态，增加了流体的扰动，从而显著提高了传热效率。研究采用了稳态和瞬态数值模拟的方法，对传统平行通道与新型浴缸形湍流增强通道的水力和热性能进行了比较。实验结果显示，浴缸形湍流增强结构在较低雷诺数下表现出更优异的传热性能，同时在较高的雷诺数范围内也保持了良好的效率。具体而言，浴缸形凹槽配置的性能评价系数（PEC）范围为2.30至2.45，而浴缸形凸起配置的PEC则达到了2.45至3.05，显示出更优的性能。

此外，研究还发现，浴缸形湍流增强结构能够有效改善燃料电池的冷却效果，进而提高其最大功率密度和净功率密度。结果显示，该设计使得最大功率密度提升了29.9%至30.9%，净功率密度则提高了69.3%至81.8%。这一显著的提升表明，浴缸形湍流增强结构不仅能够有效控制燃料电池的温度，还能够提高其整体的能源利用效率，从而为更高效、更可靠的氢能源系统提供支持。

为了进一步理解浴缸形湍流增强结构的传热机理，研究引入了混沌对流分析的方法。通过分析流体在冷却通道中的流动模式，研究人员发现，复杂的流动结构，如涡旋和二次流动，对传热效率的提升起到了关键作用。这种混沌对流现象在较低雷诺数下尤为明显，表明在低流速条件下，浴缸形湍流增强结构依然能够维持高效的热传递。此外，混沌对流分析还揭示了流体轨迹的频率和功率谱特性，这些特性与涡旋的生成和脱落动态密切相关，从而为优化冷却通道设计提供了理论依据。

当前，PEMFC的热管理策略主要依赖于稳态分析，而瞬态分析则较少被关注。然而，瞬态分析在实时热控制和调整方面具有重要意义，它能够帮助研究人员更全面地理解热传递和质量传递的动态过程。通过瞬态分析，可以揭示在不同操作条件下，冷却通道如何影响燃料电池的温度分布和热效率。此外，瞬态分析还能够为设计更合适的冷却通道提供指导，特别是在处理瞬时热负荷变化和优化冷却策略方面。

尽管混沌对流理论在微通道传热研究中已经显示出良好的应用前景，但在PEMFC冷却通道中的应用仍处于探索阶段。本研究通过结合稳态和瞬态分析，不仅验证了浴缸形湍流增强结构的热管理效果，还揭示了其在瞬态条件下的表现。研究结果表明，这种新型冷却通道设计能够有效应对PEMFC在运行过程中可能出现的温度波动，提高其整体的热稳定性和能量效率。

从现有的文献来看，许多研究集中在冷却通道的结构优化上，包括整体设计改进、通道截面设计以及填充物设计等。这些研究为PEMFC的热管理提供了多种解决方案，但大多基于稳态分析，缺乏对瞬态过程的深入探讨。因此，本研究的创新之处在于引入了混沌对流分析，不仅评估了浴缸形湍流增强结构的稳态性能，还通过瞬态模拟揭示了其在动态条件下的表现。这种综合分析方法能够更全面地理解冷却通道的热管理机制，为未来的燃料电池设计提供更加科学的依据。

研究团队通过构建单个燃料电池的几何模型，详细分析了浴缸形凸起、凹槽以及传统平行冷却通道的热性能。模型包括双极板、冷却通道、气体通道、气体扩散层、催化剂层和质子交换膜等关键组件，这些组件在燃料电池的运行中发挥着重要作用。通过数值模拟，研究人员能够观察到不同冷却通道结构在各种雷诺数条件下的流体行为和热传递特性。结果表明，浴缸形湍流增强结构在多种操作条件下均表现出优于传统设计的性能，尤其是在需要高效冷却和温度均匀性的场景中。

在实际应用中，高效的热管理不仅能够提高燃料电池的性能，还能够延长其使用寿命。通过优化冷却通道设计，可以有效减少燃料电池内部的温度梯度，防止因局部过热而导致的膜干燥和性能下降。同时，良好的冷却效果还能避免因膜电极区域水分过多而引起的水淹现象，确保燃料电池在不同工况下都能稳定运行。因此，浴缸形湍流增强结构的设计不仅有助于提高燃料电池的运行效率，还能够增强其可靠性和安全性。

此外，研究还探讨了冷却通道结构对燃料电池整体性能的影响。例如，在高电流密度条件下，冷却通道的几何形状和布局对燃料电池的热管理和水管理至关重要。通过引入复杂的流动结构，如浴缸形湍流增强，可以有效改善流体的混合效果，提高冷却效率，同时减少压力损失。这种优化设计不仅适用于PEMFC，还可能为其他类型的燃料电池提供新的思路和方法。

在实际工程应用中，冷却通道的设计需要综合考虑多种因素，包括流体动力学特性、热传递效率、结构复杂性以及制造成本等。浴缸形湍流增强结构通过引入复杂的几何形状，能够在不显著增加制造成本的情况下，提高冷却通道的性能。这种设计的可扩展性使得它在大规模燃料电池系统中具有广阔的应用前景。通过进一步的研究和实验验证，浴缸形湍流增强结构有望成为未来PEMFC热管理的重要解决方案。

综上所述，本研究通过提出一种新型的冷却通道设计，结合稳态和瞬态分析，揭示了浴缸形湍流增强结构在PEMFC热管理中的优势。研究结果不仅为燃料电池的结构优化提供了新的方向，还为氢能源系统的可持续发展奠定了基础。通过有效提升燃料电池的热管理能力，这项研究有助于推动氢能源技术的广泛应用，使其在未来的能源结构中发挥更大的作用。