质子交换膜燃料电池双极板气体流道设计综述

潘兴龙 金守一 许德超

（中国第一汽车股份有限公司新能源开发院，长春 130011）

主题词：质子交换膜燃料电池 双极板 气体流道

1 前言

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种清洁的绿色新能源汽车电源，它具有效率高、功率密度高、低温启动迅速及污染低等优点。双极板是PEMFC非常重要的多功能部件，其主要作用是通过表面的流场给膜电极输送反应气体，同时收集和传导电流并排出反应的热量及产物水。其重量约占PEMFC电堆的60%～80%，成本约占40%～60%[1]。双极板上流道设计对电池的性能、工作效率以及制造成本有很大的影响。研究表明，通过适当的流场设计，PEMFC功率密度可提高20%～30%。

本文主要综述了现有的双极板流道设计、不同流道的主要功能特点及对电池性能的影响，并对流道设计的要求做总结。

2 双极板气体流道设计基本要求

流场对PEMFC阴阳极的空气和氢气的流量分布和压力分布有着非常明显的影响，从而影响燃料电池的性能。在进行流量设计时，应考虑以下基本要求：

(1)在给定阴极和阳极化学计量比的前提下，阴极和阳极的活性区域应均匀分布空气和氢气，尤其是当MEA的活性面积较大时,更为重要。而活性区域的流道设计不合理往往是导致电池性能较差的主要原因之一。

(2)双极板流道的沟和脊宽度的比值应该有一个最优值。沟宽度与脊宽度的比值称为双极板的沟脊比，沟脊比太小会造成电极与双极板之间的接触电阻过大，增加欧姆极化损失。而沟脊比太大会影响气体向GDL层的扩散。

(3)由于流道的结构影响了气体在流场内的流动状态，故而流道的设计应有利于气体向GDL层的扩散，同时应有利于排出阴极反应产生的液态水。

(4)流道的压降尽量低，压降太大会需要空压机提供更高的功率，从而导致系统输出功率过低。但压降太小则不利于液态水的排出。

(5)在保证性能的基础上，流道应选择工艺相对简单的方案，这样可以降低加工成本，缩短加工时间。

3 双极板气体流道类型

基本的流场类型包括平行流道、蛇形流道、叉指式流道和销型流道，另外还有其他的一些新型的流道结构，比如螺旋流道、仿生型流道等。

3.1 平行流道

平行流道是由多条相同形状的流道组成且以并联方式排布的一种设计方案，因此平行流道具有流动阻力小的优点，这可以提高燃料电池的整体效率，适用于活性面积较大的电池。在电池持续工作中，由于平行流道数目较多，所以每根流道中的气流流速比较低，可能在流道的后半段出现水淹的情况。平行流道又分为Z型和U型，如图1[2]和图2[2]所示。

图1 Z型流道[2]

图2 U型流道[2]

平行流道的气体浓度流场仿真分析示意图如图3[3]所示，红色区域为气体浓度高，蓝色区域气体浓度低。

由于每个电池单体的平行流道压降很小，因此必须注意燃料电池配气歧管模块中的压降。如果歧管模块压降过大，可能会导致供应到各个电池单体中的气体分布不均匀，而靠近歧管模块处的电池单体气体浓度更高。

图3 气体浓度分布示意图[3]

还有一种变截面流场，也叫作波浪形流场，流道宽度交替变化，但流道深度保持不变。在此基础上对该流场的一种改进，沿流道方向，流道的宽度不变，流道的深度交替变化。随着流道深度加深，气体在流动过程中受到扰动，流速和压力发生变化，并在流体中出现涡体，使气体流动从层流变成了紊流，更有利于气体向GDL层中扩散。但是变截面流道加工困难，成本较高，且会增加流道的压降。

3.2 蛇形流道

蛇形流道，如图4[3]所示是一种应用较多的流道形式，它的优点是易于排出化学反应生成的液态水，不易出现水淹的情况。但是对于活性面积较大的燃料电池，蛇形流道会因为流道过长造成气体压损过大，导致流道后半段的气体浓度过小，电流密度降低且易发生水淹的情况，图5[3]所示为蛇形流道气体浓度的流场分析示意。

图4 蛇形流道[3]

图5 气体浓度分布示意[3]

多路蛇形流道，能够在不改双极板尺寸和形状的条件下，流道的数量及尺寸都可以调整，可以根据不同需求调整形状。多路蛇形流道相对于蛇形流道的优势在于：

(1)压降低

(2)当一路流道因为排水问题导致堵塞，由于其他流道的存在，燃料电池可以持续工作。Ballard公司生产的双极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问题是：由于蛇形流道压损较大，相邻流道会产生压差，而布置在后面的流道气体静压低于前面的流道，故而气体会通过GDL层由前面流道向后面相邻的流道扩散，从而使得部分区域不能够充分发生反应，从而导致电流密度分布不均匀和电池性能降低。

目前针对蛇形流道和多路蛇形流道提出很多改进型方案，Wang Chin-Tsan等人基于多蛇形流道提出的一种新型流道[4]，它采用一个入口和两个出口的布置方式。气体从进口进入流道后，分别进入两个支路蛇形流道，分别经过一次循环后两个支路汇聚，然后再次进入两个支路，最后从两个出口排出。采用该布置方式电池的电流密度的均匀性要比蛇形流道要好很多。

3.3 叉指式流道

叉指式流道包括多个退化的流道（结构示意图如图6[3]所示，气体浓度分布示意图如图7[3]所示）这种流道结构并不是连续的，所以气流被强制通过GDL进入相邻的流道，这样好处是有更多的气体进入到GDL层中参与化学反应，从而使气体的利用率增大从而提高电池的电流密度。该流场的压降主要取决于GDL的性质—主要是孔隙率和疏水性，但是随着GDL的老化，电池的性能会受到显著的影响，所以这种类型的流道并不常见。

图6 叉指式流道示意[3]

图7 气体浓度分布示意[3]

来新民等人发表了改进型叉指型流道[5]。流道的底部完全被封死，但是进气流道的脊岸处做了一定数量开口，使其与排气流道相通。这样做的好处是气体进入流道后，部分气体通过GDL层扩散到排气流道，部分气体通过开口直接进入排气流道，这种设计的优点是在保留叉指式流道结构的基础上，在一定程度上减小了流道的阻力。在此基础上继续优化，进口采用渐扩的形式，出口采用渐缩的形式，更有利于排水。

叉指式流道的优势在于提高气体的利用率，提高电池的电流密度，但是它对气体的进气压力要求较高，这也会在一定程度上降低电池系统的整体输出功率。

3.4 销型流道

销型流道是以规则图案排列的柱状销阵列（如图8[3]所示），各个销的形状通常为立方形或圆形，不论流体走任何路径，其路径长度是相同的，故而是等压降的。这样做的好处是流体分布的较为均匀，而且可以将流道中的流体从层流变为紊流，更有利于气体的扩散，而且能够减少浓差极化。但是由于流体的流速较慢，对于排水是不利的。

仿真结果示意如图9[3]所示，从图中可以看到，气体入口和出口的连接区域附近，气体浓度较高，而两边角落处由于气体流速较慢，可能会出现浓差极化和水淹等问题。

图8 销型流道示意图[3]

图9 气体浓度分布示意图[3]

这种结构形式对于双极板流道的加工工艺提出了很大的考验，同时由于结构较为复杂，双极板的成本也会增大很多。

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种优化，由于压损较大，所以这种流道的排水能力很强。同时，螺旋流道的靠近入口和靠近出口的流道交错排布，使得气体浓度分布更加均匀。但是这种流道的缺点也很明显：

(1)压损较大，会降低燃料电池的整体输出功率

(2)流动容易发生短路

(3)加工工艺复杂，成本较高，加工周期较长

基于以上，这种流道设计在实际应用中并不多见。

图10 仿人类肺部流道示意图[6]

3.5.2 仿生流道

如图10[6]所示，是对人类肺部仿生的一种流道结构，也可以看作是对蛇形流道和叉指型流道的结合和优化。气体在流道中的流速较蛇形和叉指型要小，但压降也减小很多，气体扩散也更加均匀。

武汉理工大学陈涛等人设计了树叶结构流道，也是采用了仿生学原理，结构如图11[7]所示。

图11 仿树叶结构流道示意[7]

4 气体流道设计小结

以上内容介绍了不同形状的流道结构以及不同流道的优缺点，下面将针对流道尺寸及优化方向进行阐述。

4.1 流道尺寸设计

流道尺寸对燃料电池性能有很大的影响，流道的尺寸主要包括长度、沟宽、沟深、脊宽以及沟/脊的截面形状等。

研究表明，流道的长度越长，则流体的沿程损失越大，则气体的压损越大，从而导致流道后段的气体静压较小，且容易造成水淹现象，导致燃料电池的性能降低。

沟脊比（沟宽和脊宽的比值）在流道设计时需重点考量，沟脊比过大，则会增大燃料电池的欧姆损失；沟脊比过小，则会影响气体的扩散，增大MEA死区面积，从而影响燃料电池的总体性能。研究表明，最佳的沟脊比取决于氧化剂的类型和燃料电池的运行条件。当燃料电池以空气作为氧化剂时，脊宽应该比纯氧的要小。另外，燃料电池在高电位工作时，脊宽越大则性能越好；而在低电位工作时，较小脊宽可以改善气体向GDL层和催化剂层的质量传递，改善电化学反应增强水的排出，因此可以改善电池的性能。

流道的截面形状是对电池性能的另外一个重要的影响因素。研究表明，在相同流速下，其他截面形状（如三角形、半圆形）比长方形和正方的压损更低，从而燃料电池的性能会好；但是与三角形和半圆形截面形状相比，长方形和正方形的氢气消耗更低。为减小流道的摩擦损失，流道的宽度范围应该在1~2 mm左右，流道的深度应尽量小。但通常来讲，虽然其他形状会增强燃料电池的一些其他方面的性能，但是现在最常用的流道截面形状还是长方形。

4.2 流道设计改进方向

为了尽可能的提高电池的性能和系统效率，许多科研机构和公司在基本流道的基础上做了很多改进和优化，从不同的角度优化双极板气体流道。

4.2.1 加强气体扩散

由于燃料电池流道内气体流动主要是层流，所以对于直流道来讲，气体向MEA的扩散相对较弱，这时可以通过增加流道内部粗糙度产生紊流增强扩散。但是这会增大流道的进出口压差，降低燃料电池的整体效率。

叉指式流道的气体传递主要靠强制对流，气体充分的通过GDL层发生化学反应，而且易于排出生成的水，但是会导致较大的压损。

所以一方面在提高电池性能的同时，而另一方面会对性能产生负面的影响。

4.2.2 优化热管理性能

热管理的目标是保证MEA各个区域的温度分布均匀，而温度分布又直接影响到双极板流道中水含量。所以良好的热管理性能可以调节各个区域的温度分布，达到一个良好的水热管理。

在1998年Ballard公司的专利[8]中，采用氢气和空气逆流、冷却液和空气顺流的布置方式，这样可以优化空气入口膜干燥和空气出口发生水淹的问题。

4.2.3 防止流场气体短路

气体短路是指大部分气体不沿着流道流动，而是直接流入脊下面的GDL层而进入相邻流道的一种现象。少量的气体短路通过增加气体与MEA的接触面积能够在一定程度上提高电池的性能，而且气体通过脊下面的GDL层以及在GDL层中的横向流动有助于排出积累在GDL层中的水。

当气体流过脊部GDL层的量过大时，就会导致一部分流道无法利用，气体浓度分布不均匀，会在很大程度上影响电池的性能。发生气体短路最大的原因是相邻流道存在较大的压差，特别是气体流速较大时气体的压力损失较大，这时更容易发生气体短路。另外当燃料电池压堆时，压紧力不足也会导致脊与GDL层之间的空隙较大，增大气体短路的可能。

短路会降低气体的流速，会使积累在流道中的液态水不能够有效的排出，从而会增加流动阻力，加重气体短路，出现恶性循环。

4.2.4 提高气体分布均匀性

提高气体的分布均匀性可以使气体充分与MEA发生化学反应，提高MEA的利用效率。可以通过优化流道的截面形状等手段来实现气体的均匀分布。

4.2.5 减小压损

为维持气体的流动，空压机需要消耗一定的功率，减小气体道压损失是实现这一目标的重要手段，平行流道和销型流道是为了适应这一需求而设计的。

4.2.6 细密化流道设计

最优的流道设计应该既考虑到双极板与MEA的接触面积最大来保证传热和导电的性能，又要考虑能为电化学反应提供充足的反应气体。而细密化的流道可以减小脊支撑的跨度，对于MEA的机械支撑是十分有利的。同时，较窄的脊下面GDL中的水可以较为容易的从GDL层中转移至流道中。总体来讲，细密化的流道一般可以提高电池的性能。

4.2.7 改善流道截面形状

流道截面形状对燃料电池性能的影响主要通过影响流道内气体流动和水管理的特性实现的。特征参数包括流道宽度W、流道深度H、流道倾角θ、脊宽度L。其中流道宽度W影响着双极板流道中的气体与GDL层的接触面积，脊宽度L影响着双极板和GDL层的接触面积，所以可以通过优化沟脊比（W/L）来改善燃料电池的性能。流道倾角θ的作用是通过改变流道截面积，增加MEA的利用面积。由于燃料电池流道内气体流动一般属于层流的范畴，较浅的流道利于气体向GDL层扩散。典型的流道宽度为0.5~2.5 mm，流道深度为0.2~2.5 mm，脊宽度为0.2~2.5 mm，流道倾角为0°~60°。

燃料电池的双极板流道设计较为复杂，通常需要考虑以下几点：流道的几何结构、流道内部气体短路、流道的支撑作用等。同时还要结合具体的实际情况，不同MEA要采用不同的流道形式与之相匹配，才能使燃料电池达到最佳性能。

5 总结

双极板是燃料电池非常重要的组成部分，肩负着多种功能。合理的气体流道设计可以有效的保证燃料电池的性能和运行的稳定性，降低电池的成本。同时，不同的设计方案之间是互相影响和制约的，一方面提高燃料电池性能可能会影响另一方面的性能。因此，流道设计是多目标优化的过程，而提高燃料电池综合性能是设计者的最终目标。