質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板氣體流道設(shè)計綜述

潘興龍 金守一 許德超

（中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：質(zhì)子交換膜燃料電池 雙極板 氣體流道

1 前言

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種清潔的綠色新能源汽車電源，它具有效率高、功率密度高、低溫啟動迅速及污染低等優(yōu)點。雙極板是PEMFC非常重要的多功能部件，其主要作用是通過表面的流場給膜電極輸送反應(yīng)氣體，同時收集和傳導(dǎo)電流并排出反應(yīng)的熱量及產(chǎn)物水。其重量約占PEMFC電堆的60%～80%，成本約占40%～60%[1]。雙極板上流道設(shè)計對電池的性能、工作效率以及制造成本有很大的影響。研究表明，通過適當(dāng)?shù)牧鲌鲈O(shè)計，PEMFC功率密度可提高20%～30%。

本文主要綜述了現(xiàn)有的雙極板流道設(shè)計、不同流道的主要功能特點及對電池性能的影響，并對流道設(shè)計的要求做總結(jié)。

2 雙極板氣體流道設(shè)計基本要求

流場對PEMFC陰陽極的空氣和氫氣的流量分布和壓力分布有著非常明顯的影響，從而影響燃料電池的性能。在進行流量設(shè)計時，應(yīng)考慮以下基本要求：

(1)在給定陰極和陽極化學(xué)計量比的前提下，陰極和陽極的活性區(qū)域應(yīng)均勻分布空氣和氫氣，尤其是當(dāng)MEA的活性面積較大時,更為重要。而活性區(qū)域的流道設(shè)計不合理往往是導(dǎo)致電池性能較差的主要原因之一。

(2)雙極板流道的溝和脊寬度的比值應(yīng)該有一個最優(yōu)值。溝寬度與脊寬度的比值稱為雙極板的溝脊比，溝脊比太小會造成電極與雙極板之間的接觸電阻過大，增加歐姆極化損失。而溝脊比太大會影響氣體向GDL層的擴散。

(3)由于流道的結(jié)構(gòu)影響了氣體在流場內(nèi)的流動狀態(tài)，故而流道的設(shè)計應(yīng)有利于氣體向GDL層的擴散，同時應(yīng)有利于排出陰極反應(yīng)產(chǎn)生的液態(tài)水。

(4)流道的壓降盡量低，壓降太大會需要空壓機提供更高的功率，從而導(dǎo)致系統(tǒng)輸出功率過低。但壓降太小則不利于液態(tài)水的排出。

(5)在保證性能的基礎(chǔ)上，流道應(yīng)選擇工藝相對簡單的方案，這樣可以降低加工成本，縮短加工時間。

3 雙極板氣體流道類型

基本的流場類型包括平行流道、蛇形流道、叉指式流道和銷型流道，另外還有其他的一些新型的流道結(jié)構(gòu)，比如螺旋流道、仿生型流道等。

3.1 平行流道

平行流道是由多條相同形狀的流道組成且以并聯(lián)方式排布的一種設(shè)計方案，因此平行流道具有流動阻力小的優(yōu)點，這可以提高燃料電池的整體效率，適用于活性面積較大的電池。在電池持續(xù)工作中，由于平行流道數(shù)目較多，所以每根流道中的氣流流速比較低，可能在流道的后半段出現(xiàn)水淹的情況。平行流道又分為Z型和U型，如圖1[2]和圖2[2]所示。

圖1 Z型流道[2]

圖2 U型流道[2]

平行流道的氣體濃度流場仿真分析示意圖如圖3[3]所示，紅色區(qū)域為氣體濃度高，藍色區(qū)域氣體濃度低。

由于每個電池單體的平行流道壓降很小，因此必須注意燃料電池配氣歧管模塊中的壓降。如果歧管模塊壓降過大，可能會導(dǎo)致供應(yīng)到各個電池單體中的氣體分布不均勻，而靠近歧管模塊處的電池單體氣體濃度更高。

圖3 氣體濃度分布示意圖[3]

還有一種變截面流場，也叫作波浪形流場，流道寬度交替變化，但流道深度保持不變。在此基礎(chǔ)上對該流場的一種改進，沿流道方向，流道的寬度不變，流道的深度交替變化。隨著流道深度加深，氣體在流動過程中受到擾動，流速和壓力發(fā)生變化，并在流體中出現(xiàn)渦體，使氣體流動從層流變成了紊流，更有利于氣體向GDL層中擴散。但是變截面流道加工困難，成本較高，且會增加流道的壓降。

3.2 蛇形流道

蛇形流道，如圖4[3]所示是一種應(yīng)用較多的流道形式，它的優(yōu)點是易于排出化學(xué)反應(yīng)生成的液態(tài)水，不易出現(xiàn)水淹的情況。但是對于活性面積較大的燃料電池，蛇形流道會因為流道過長造成氣體壓損過大，導(dǎo)致流道后半段的氣體濃度過小，電流密度降低且易發(fā)生水淹的情況，圖5[3]所示為蛇形流道氣體濃度的流場分析示意。

圖4 蛇形流道[3]

圖5 氣體濃度分布示意[3]

多路蛇形流道，能夠在不改雙極板尺寸和形狀的條件下，流道的數(shù)量及尺寸都可以調(diào)整，可以根據(jù)不同需求調(diào)整形狀。多路蛇形流道相對于蛇形流道的優(yōu)勢在于：

(1)壓降低

(2)當(dāng)一路流道因為排水問題導(dǎo)致堵塞，由于其他流道的存在，燃料電池可以持續(xù)工作。Ballard公司生產(chǎn)的雙極板就采用多路蛇形流道。

蛇形流道和多路蛇形流道方案可能存在的問題是：由于蛇形流道壓損較大，相鄰流道會產(chǎn)生壓差，而布置在后面的流道氣體靜壓低于前面的流道，故而氣體會通過GDL層由前面流道向后面相鄰的流道擴散，從而使得部分區(qū)域不能夠充分發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致電流密度分布不均勻和電池性能降低。

目前針對蛇形流道和多路蛇形流道提出很多改進型方案，Wang Chin-Tsan等人基于多蛇形流道提出的一種新型流道[4]，它采用一個入口和兩個出口的布置方式。氣體從進口進入流道后，分別進入兩個支路蛇形流道，分別經(jīng)過一次循環(huán)后兩個支路匯聚，然后再次進入兩個支路，最后從兩個出口排出。采用該布置方式電池的電流密度的均勻性要比蛇形流道要好很多。

3.3 叉指式流道

叉指式流道包括多個退化的流道（結(jié)構(gòu)示意圖如圖6[3]所示，氣體濃度分布示意圖如圖7[3]所示）這種流道結(jié)構(gòu)并不是連續(xù)的，所以氣流被強制通過GDL進入相鄰的流道，這樣好處是有更多的氣體進入到GDL層中參與化學(xué)反應(yīng)，從而使氣體的利用率增大從而提高電池的電流密度。該流場的壓降主要取決于GDL的性質(zhì)—主要是孔隙率和疏水性，但是隨著GDL的老化，電池的性能會受到顯著的影響，所以這種類型的流道并不常見。

圖6 叉指式流道示意[3]

圖7 氣體濃度分布示意[3]

來新民等人發(fā)表了改進型叉指型流道[5]。流道的底部完全被封死，但是進氣流道的脊岸處做了一定數(shù)量開口，使其與排氣流道相通。這樣做的好處是氣體進入流道后，部分氣體通過GDL層擴散到排氣流道，部分氣體通過開口直接進入排氣流道，這種設(shè)計的優(yōu)點是在保留叉指式流道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在一定程度上減小了流道的阻力。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化，進口采用漸擴的形式，出口采用漸縮的形式，更有利于排水。

叉指式流道的優(yōu)勢在于提高氣體的利用率，提高電池的電流密度，但是它對氣體的進氣壓力要求較高，這也會在一定程度上降低電池系統(tǒng)的整體輸出功率。

3.4 銷型流道

銷型流道是以規(guī)則圖案排列的柱狀銷陣列（如圖8[3]所示），各個銷的形狀通常為立方形或圓形，不論流體走任何路徑，其路徑長度是相同的，故而是等壓降的。這樣做的好處是流體分布的較為均勻，而且可以將流道中的流體從層流變?yōu)槲闪鳎欣跉怏w的擴散，而且能夠減少濃差極化。但是由于流體的流速較慢，對于排水是不利的。

仿真結(jié)果示意如圖9[3]所示，從圖中可以看到，氣體入口和出口的連接區(qū)域附近，氣體濃度較高，而兩邊角落處由于氣體流速較慢，可能會出現(xiàn)濃差極化和水淹等問題。

圖8 銷型流道示意圖[3]

圖9 氣體濃度分布示意圖[3]

這種結(jié)構(gòu)形式對于雙極板流道的加工工藝提出了很大的考驗，同時由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，雙極板的成本也會增大很多。

3.5 其他新型流道

3.5.1 螺旋流道

螺旋形流道是蛇形流道的一種優(yōu)化，由于壓損較大，所以這種流道的排水能力很強。同時，螺旋流道的靠近入口和靠近出口的流道交錯排布，使得氣體濃度分布更加均勻。但是這種流道的缺點也很明顯：

(1)壓損較大，會降低燃料電池的整體輸出功率

(2)流動容易發(fā)生短路

(3)加工工藝復(fù)雜，成本較高，加工周期較長

基于以上，這種流道設(shè)計在實際應(yīng)用中并不多見。

圖10 仿人類肺部流道示意圖[6]

3.5.2 仿生流道

如圖10[6]所示，是對人類肺部仿生的一種流道結(jié)構(gòu)，也可以看作是對蛇形流道和叉指型流道的結(jié)合和優(yōu)化。氣體在流道中的流速較蛇形和叉指型要小，但壓降也減小很多，氣體擴散也更加均勻。

武漢理工大學(xué)陳濤等人設(shè)計了樹葉結(jié)構(gòu)流道，也是采用了仿生學(xué)原理，結(jié)構(gòu)如圖11[7]所示。

圖11 仿樹葉結(jié)構(gòu)流道示意[7]

4 氣體流道設(shè)計小結(jié)

以上內(nèi)容介紹了不同形狀的流道結(jié)構(gòu)以及不同流道的優(yōu)缺點，下面將針對流道尺寸及優(yōu)化方向進行闡述。

4.1 流道尺寸設(shè)計

流道尺寸對燃料電池性能有很大的影響，流道的尺寸主要包括長度、溝寬、溝深、脊寬以及溝/脊的截面形狀等。

研究表明，流道的長度越長，則流體的沿程損失越大，則氣體的壓損越大，從而導(dǎo)致流道后段的氣體靜壓較小，且容易造成水淹現(xiàn)象，導(dǎo)致燃料電池的性能降低。

溝脊比（溝寬和脊寬的比值）在流道設(shè)計時需重點考量，溝脊比過大，則會增大燃料電池的歐姆損失；溝脊比過小，則會影響氣體的擴散，增大MEA死區(qū)面積，從而影響燃料電池的總體性能。研究表明，最佳的溝脊比取決于氧化劑的類型和燃料電池的運行條件。當(dāng)燃料電池以空氣作為氧化劑時，脊寬應(yīng)該比純氧的要小。另外，燃料電池在高電位工作時，脊寬越大則性能越好；而在低電位工作時，較小脊寬可以改善氣體向GDL層和催化劑層的質(zhì)量傳遞，改善電化學(xué)反應(yīng)增強水的排出，因此可以改善電池的性能。

流道的截面形狀是對電池性能的另外一個重要的影響因素。研究表明，在相同流速下，其他截面形狀（如三角形、半圓形）比長方形和正方的壓損更低，從而燃料電池的性能會好；但是與三角形和半圓形截面形狀相比，長方形和正方形的氫氣消耗更低。為減小流道的摩擦損失，流道的寬度范圍應(yīng)該在1~2 mm左右，流道的深度應(yīng)盡量小。但通常來講，雖然其他形狀會增強燃料電池的一些其他方面的性能，但是現(xiàn)在最常用的流道截面形狀還是長方形。

4.2 流道設(shè)計改進方向

為了盡可能的提高電池的性能和系統(tǒng)效率，許多科研機構(gòu)和公司在基本流道的基礎(chǔ)上做了很多改進和優(yōu)化，從不同的角度優(yōu)化雙極板氣體流道。

4.2.1 加強氣體擴散

由于燃料電池流道內(nèi)氣體流動主要是層流，所以對于直流道來講，氣體向MEA的擴散相對較弱，這時可以通過增加流道內(nèi)部粗糙度產(chǎn)生紊流增強擴散。但是這會增大流道的進出口壓差，降低燃料電池的整體效率。

叉指式流道的氣體傳遞主要靠強制對流，氣體充分的通過GDL層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且易于排出生成的水，但是會導(dǎo)致較大的壓損。

所以一方面在提高電池性能的同時，而另一方面會對性能產(chǎn)生負面的影響。

4.2.2 優(yōu)化熱管理性能

熱管理的目標是保證MEA各個區(qū)域的溫度分布均勻，而溫度分布又直接影響到雙極板流道中水含量。所以良好的熱管理性能可以調(diào)節(jié)各個區(qū)域的溫度分布，達到一個良好的水熱管理。

在1998年Ballard公司的專利[8]中，采用氫氣和空氣逆流、冷卻液和空氣順流的布置方式，這樣可以優(yōu)化空氣入口膜干燥和空氣出口發(fā)生水淹的問題。

4.2.3 防止流場氣體短路

氣體短路是指大部分氣體不沿著流道流動，而是直接流入脊下面的GDL層而進入相鄰流道的一種現(xiàn)象。少量的氣體短路通過增加氣體與MEA的接觸面積能夠在一定程度上提高電池的性能，而且氣體通過脊下面的GDL層以及在GDL層中的橫向流動有助于排出積累在GDL層中的水。

當(dāng)氣體流過脊部GDL層的量過大時，就會導(dǎo)致一部分流道無法利用，氣體濃度分布不均勻，會在很大程度上影響電池的性能。發(fā)生氣體短路最大的原因是相鄰流道存在較大的壓差，特別是氣體流速較大時氣體的壓力損失較大，這時更容易發(fā)生氣體短路。另外當(dāng)燃料電池壓堆時，壓緊力不足也會導(dǎo)致脊與GDL層之間的空隙較大，增大氣體短路的可能。

短路會降低氣體的流速，會使積累在流道中的液態(tài)水不能夠有效的排出，從而會增加流動阻力，加重氣體短路，出現(xiàn)惡性循環(huán)。

4.2.4 提高氣體分布均勻性

提高氣體的分布均勻性可以使氣體充分與MEA發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高MEA的利用效率。可以通過優(yōu)化流道的截面形狀等手段來實現(xiàn)氣體的均勻分布。

4.2.5 減小壓損

為維持氣體的流動，空壓機需要消耗一定的功率，減小氣體道壓損失是實現(xiàn)這一目標的重要手段，平行流道和銷型流道是為了適應(yīng)這一需求而設(shè)計的。

4.2.6 細密化流道設(shè)計

最優(yōu)的流道設(shè)計應(yīng)該既考慮到雙極板與MEA的接觸面積最大來保證傳熱和導(dǎo)電的性能，又要考慮能為電化學(xué)反應(yīng)提供充足的反應(yīng)氣體。而細密化的流道可以減小脊支撐的跨度，對于MEA的機械支撐是十分有利的。同時，較窄的脊下面GDL中的水可以較為容易的從GDL層中轉(zhuǎn)移至流道中。總體來講，細密化的流道一般可以提高電池的性能。

4.2.7 改善流道截面形狀

流道截面形狀對燃料電池性能的影響主要通過影響流道內(nèi)氣體流動和水管理的特性實現(xiàn)的。特征參數(shù)包括流道寬度W、流道深度H、流道傾角θ、脊寬度L。其中流道寬度W影響著雙極板流道中的氣體與GDL層的接觸面積，脊寬度L影響著雙極板和GDL層的接觸面積，所以可以通過優(yōu)化溝脊比（W/L）來改善燃料電池的性能。流道傾角θ的作用是通過改變流道截面積，增加MEA的利用面積。由于燃料電池流道內(nèi)氣體流動一般屬于層流的范疇，較淺的流道利于氣體向GDL層擴散。典型的流道寬度為0.5~2.5 mm，流道深度為0.2~2.5 mm，脊寬度為0.2~2.5 mm，流道傾角為0°~60°。

燃料電池的雙極板流道設(shè)計較為復(fù)雜，通常需要考慮以下幾點：流道的幾何結(jié)構(gòu)、流道內(nèi)部氣體短路、流道的支撐作用等。同時還要結(jié)合具體的實際情況，不同MEA要采用不同的流道形式與之相匹配，才能使燃料電池達到最佳性能。

5 總結(jié)

雙極板是燃料電池非常重要的組成部分，肩負著多種功能。合理的氣體流道設(shè)計可以有效的保證燃料電池的性能和運行的穩(wěn)定性，降低電池的成本。同時，不同的設(shè)計方案之間是互相影響和制約的，一方面提高燃料電池性能可能會影響另一方面的性能。因此，流道設(shè)計是多目標優(yōu)化的過程，而提高燃料電池綜合性能是設(shè)計者的最終目標。