質子交換膜燃料電池雙極板氣體流道設計綜述

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院，長春 130011）

主題詞：質子交換膜燃料電池 雙極板 氣體流道

1 前言

質子交換膜燃料電池（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氣體，同時收集和傳導電流并排出反應的熱量及產物水。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，通過適當的流場設計，PEMFC功率密度可提高20%～30%。

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

2 雙極板氣體流道設計基本要求

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。在進行流量設計時，應考慮以下基本要求：

(1)在給定陰極和陽極化學計量比的前提下，陰極和陽極的活性區域應均勻分布空氣和氫氣，尤其是當MEA的活性面積較大時,更為重要。而活性區域的流道設計不合理往往是導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該有一個最優值。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)由于流道的結構影響了氣體在流場內的流動狀態，故而流道的設計應有利于氣體向GDL層的擴散，同時應有利于排出陰極反應產生的液態水。

(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，從而導致系統輸出功率過低。但壓降太小則不利于液態水的排出。

(5)在保證性能的基礎上，流道應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構，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方式排布的一種設計方案，因此平行流道具有流動阻力小的優點，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。在電池持續工作中，由于平行流道數目較多，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，紅色區域為氣體濃度高，藍色區域氣體濃度低。

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，可能會導致供應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，流速和壓力發生變化，并在流體中出現渦體，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]所示是一種應用較多的流道形式，它的優點是易于排出化學反應生成的液態水，不易出現水淹的情況。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，導致流道后半段的氣體濃度過小，電流密度降低且易發生水淹的情況，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，流道的數量及尺寸都可以調整，可以根據不同需求調整形狀。多路蛇形流道相對于蛇形流道的優勢在于：

(1)壓降低

(2)當一路流道因為排水問題導致堵塞，由于其他流道的存在，燃料電池可以持續工作。Ballard公司生產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，從而使得部分區域不能夠充分發生反應，從而導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，分別經過一次循環后兩個支路匯聚，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（結構示意圖如圖6[3]所示，氣體濃度分布示意圖如圖7[3]所示）這種流道結構并不是連續的，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層中參與化學反應，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—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，這種設計的優點是在保留叉指式流道結構的基礎上，在一定程度上減小了流道的阻力。在此基礎上繼續優化，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的整體輸出功率。

3.4 銷型流道

銷型流道是以規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為紊流，更有利于氣體的擴散，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]

這種結構形式對于雙極板流道的加工工藝提出了很大的考驗，同時由于結構較為復雜，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)流動容易發生短路

(3)加工工藝復雜，成本較高，加工周期較長

基于以上，這種流道設計在實際應用中并不多見。

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構，也可以看作是對蛇形流道和叉指型流道的結合和優化。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。

武漢理工大學陳濤等人設計了樹葉結構流道，也是采用了仿生學原理，結構如圖11[7]所示。

圖11 仿樹葉結構流道示意[7]

4 氣體流道設計小結

以上內容介紹了不同形狀的流道結構以及不同流道的優缺點，下面將針對流道尺寸及優化方向進行闡述。

4.1 流道尺寸設計

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，從而導致流道后段的氣體靜壓較小，且容易造成水淹現象，導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。當燃料電池以空氣作為氧化劑時，脊寬應該比純氧的要小。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層和催化劑層的質量傳遞，改善電化學反應增強水的排出，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，流道的寬度范圍應該在1~2 mm左右，流道的深度應盡量小。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，但是現在最常用的流道截面形狀還是長方形。

4.2 流道設計改進方向

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

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部粗糙度產生紊流增強擴散。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層發生化學反應，而且易于排出生成的水，但是會導致較大的壓損。

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生負面的影響。

4.2.2 優化熱管理性能

熱管理的目標是保證MEA各個區域的溫度分布均勻，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節各個區域的溫度分布，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，這樣可以優化空氣入口膜干燥和空氣出口發生水淹的問題。

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。

當氣體流過脊部GDL層的量過大時，就會導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，這時更容易發生氣體短路。另外當燃料電池壓堆時，壓緊力不足也會導致脊與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，出現惡性循環。

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發生化學反應，提高MEA的利用效率?？梢酝ㄟ^優化流道的截面形狀等手段來實現氣體的均勻分布。

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這一目標的重要手段，平行流道和銷型流道是為了適應這一需求而設計的。

4.2.6 細密化流道設計

最優的流道設計應該既考慮到雙極板與MEA的接觸面積最大來保證傳熱和導電的性能，又要考慮能為電化學反應提供充足的反應氣體。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層中轉移至流道中?？傮w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氣體流動和水管理的特性實現的。特征參數包括流道寬度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計較為復雜，通常需要考慮以下幾點：流道的幾何結構、流道內部氣體短路、流道的支撐作用等。同時還要結合具體的實際情況，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

雙極板是燃料電池非常重要的組成部分，肩負著多種功能。合理的氣體流道設計可以有效的保證燃料電池的性能和運行的穩定性，降低電池的成本。同時，不同的設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，流道設計是多目標優化的過程，而提高燃料電池綜合性能是設計者的最終目標。