质子交换膜燃料电池流场板研究进展

赵强，郭航，叶芳，马重芳

（北京工业大学环境与能源工程学院传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用北京市重点实验室，北京100124）

引 言

燃料电池可以将燃料的化学能不经过热功转换过程直接转变为电能。由于其具有比能量高、清洁高效等特点，越来越多地被应用于发电站、电子设备、航空航天器、潜艇等领域。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)阳极一般以洁净的氢气为燃料，阴极一般以氧气（纯氧或空气）为氧化剂。电池运行时，阴阳极的反应物均通过两边的流场板引入，氢气和氧气由中间的质子交换膜分隔开并在催化剂的作用下分别发生氧化和还原反应，氢气分解成质子和电子，电子沿着外电路传输到达阴极从而产生电流，质子则通过质子交换膜传输到达阴极并与氧气及阳极传送来的电子结合反应生成水。

流场板与膜电极组件同为PEMFC 的重要部件。单体燃料电池通常含有阴极和阳极两个流场板，每个流场板的一面分别形成一个氢气流场和一个氧气流场。对于电池堆来说，普遍采用双极板，氢气流场设置在双极板的一面，双极板的另一面则设置氧气流场。近年来，燃料电池堆正朝着高能量密度的方向发展，流场板因此变得越来越轻薄化。隔离阴极和阳极反应物、提供反应气体流动通道、收集输出电流和提供膜电极支撑是燃料电池流场板的主要作用，除此以外，燃料电池系统热量和反应生成水的排出也需要流场板。对于流场板的设计而言，通常包括以下要求[1]：（1）良好的抗腐蚀性；（2）电阻低，导电性良好；（3）控制电池温度；（4）容易加工成型；（5）质量轻；（6）较高的机械强度；（7）价格低廉。Manso 等[2]指出电池性能的好坏很大一部分取决于流场板，具体影响因素包括：（1）流场板的类型；（2）流体在流场中的流动方向；（3）流道的长度与数量；（4）流道中添加挡板；（5）流道尺寸等。而这些因素与更加基础的伴有电化学反应的传热、传质、两相流动及界面现象相关联[3]。由于流场板承担着供气和排水的作用，流场板上的流道结构不仅直接影响着反应气体向气体扩散层的扩散传质以及生成水排出的过程，还间接影响着电化学反应产生的热量传递与分布过程。燃料电池性能好坏取决于反应物以及水热管理性能，因此，通过对流场板上的流道结构进行设计与改进来强化内部传质与传热过程是提升燃料电池性能需要重点考虑的因素，本文将对平行流场、蛇形流场、交指流场、点状流场、仿生流场以及三维精细化流场的设计与研究开展相关调研。针对不同流场板类型，进行结构设计与研究的全面分类阐述。特别地，将阐述蛇形流场的进口分配段、U 形拐角，交指流场的流道截面，组合流场的组合形式以及三维精细化流场的供气结构对电池性能的影响。

1 基于平行流场的设计与研究

图1（a）所示为平行流场，其特点是易于加工，应用广泛，反应流体在若干平行流道内部流动时压力损失较小，电流密度分布比较均匀，但是由于其容易造成流场内流体分布不均匀以及水淹现象，严重影响了电池的输出性能。原因在于，平行流场内反应气体进入扩散层的传递方式主要为扩散，各平行流道之间的压差是比较小的，相邻流道之间的强制对流可以忽略不计。平行流场中流道一般较短，单根流道进出口距离比较近，每条流道中反应产生的液态水以及热量均通过反应气体的吹扫作用带出。某些压力损失过大的流道会迫使更多的反应气体流入，这就使得反应流体在整个流场分布不均，也造成水热分布不均的问题，而进口分配器的不合理设计更加剧了这种现象。平行流场中，流道内较小的压差和较差的气体流动性以及出口汇流器的不合理设计，都容易导致流道内的液态水不易排出，造成水淹。目前对于平行流场的研究主要集中在如下几方面。

图1 质子交换膜燃料电池常用流场[4]Fig.1 Flow field commonly used in proton exchange membrane fuel cells[4]

（1）在一定的设计工况下，研究流道几何尺寸，包括流道宽度和深度、脊的宽度以及开孔率等对燃料电池性能的影响，以期获得平行流场的最佳尺寸，但是由于研究方法和建模的差异，不同研究人员得出的结论是不同的。

（2）将流道等截面设计为特殊形状或在流道中设置挡板，以期能够增强反应气体在流道中的扩散传质以促进反应物的利用，同时研究其对燃料电池性能的影响。

（3）流场进口分配段优化设计，改善反应流体在进入流场之初在各个流道的分配。

（4）设置各种形式的分流道，研究该结构设计对燃料电池性能的影响。

1.1 流道尺寸

众多研究人员对平行流道的几何尺寸进行了研究，以期获得有利于燃料电池运行的最佳尺寸，由于建模和实验工况的差异，得出的结论也存在差异。总地来说，当流道横截面形状尺寸不变时，研究者普遍认为应该将平行直流道的尺寸设置在1 mm 以内[5-8]，甚至有的认为应该将尺寸设置在0.5 mm 以内[9-10]，适当的减小流道尺寸有利于燃料电池性能的提升[11-13]，因为在同样的气体流量下，流道尺寸的适当减小，会使气体流速增加，扩散层内的流速与压差呈反比关系，压差增大会使进入扩散层和催化层的气体浓度增加，也增强了流场的排水散热性能。

在渐变尺寸流道（流道横截面形状尺寸在流动方向发生变化）方面，新源动力股份有限公司[14]发明了两种带有气体流场的PEMFC阴极板，其平行流道都是属于变截面的（即楔形流场），包括深度不变、宽度逐渐加宽，宽度不变、深度逐渐加深。相比于传统的平直流道，渐缩截面可以保持流场流道内部对液态水的推动力，促进电池液态水的排出。李文娟等[15]利用三维非等温模型，通过数值模拟进行了平行流场与楔形流场的电池性能对比研究。发现在流道进口深度保持不变的情况下，应该考虑减小流道出口深度以提高电池的性能，因为缩减流道出口深度会使流体流动速度增大，增强了反应流体在流道出口处向气体扩散层的传递；当进口流道宽度保持恒定时，流道出口宽度并不是越大越好，适当增大流道出口宽度会增加气体扩散层与气体的接触面积，过大的出口宽度反而会因为气体流速的降低和脊宽的减小使电池性能下降，因此应该适当增加出口宽度来提高电池性能。张小娟等[16]提出当流道宽度和进口深度保持恒定时，减小出口深度可以减小电池在高电流密度区的浓差极化，因此电池性能会获得一定幅度的提升。Timurkutluk等[17]通过从入口到出口以恒定倾斜度改变通道深度以及宽度来设计收缩流场。数值结果表明，收缩平行流场具有更好的质量传递和除水特性，电池功率密度最多可提高16%。Song 等[18]设计了四种不同形式的非线性渐变深度的流道，通过模拟分别研究了其对燃料电池性能产生的影响，结果表明减小流道深度可以促进和引导反应物转移到催化层，避免产生生成水的阻塞；随着平均流道深度的减小，温度均匀性变得更好，这也有助于提高电池性能。

在突变截面流道（流道横截面形状和尺寸在流动方向某处突然发生变化）方面，Ramin 等[19]在直流道的基础上设计了一种截面突变，通过三维非等温模型研究了该突变尺寸对电池性能的影响。发现截面突变的长度和数量都存在使PEMFC 性能达到最优的最佳值，截面突变使高速流反应气体迅速产生平行于扩散层方向的横向扩张与收缩，能够增强反应气体向电极的扩散能力，优化了的突变截面流道改善了阴极催化层上氧和水的分布，使电池阴极过电位减小，电池输出功率增大。但是，矩形截面突变容易产生反应气体流动的死角，造成该区域反应生成水的滞留。

1.2 流道截面

一般的平行流道横截面为等截面矩形，为了促进反应气体向扩散层的扩散传质进而提高燃料电池的性能，同时能够强化排水性能，很多研究者对平行流道的横截面进行设计改进，具体包括：等截面形状设计以及挡板设计。

在等截面形状设计方面，马利军等[20]利用Fluent 对氢-空PEMFC 进行了三维模拟，研究了燕尾形、长圆形以及矩形三种流道横截面形式对燃料电池性能的影响，发现长圆形以及矩形流道截面性能都不如燕尾形，原因在于燕尾形的底面设计减少了流道底面的黏滞阻力，加快了整体的线流速，对生成水有较好的引流作用，良好的水浓度分布有利于气体向催化层和扩散层的物质传输，整体上有利于性能的提高，且随着燕尾形流道深度的增加，燃料电池的性能进一步提升。姜丙坤[21]通过模拟与实验对U 形截面流道和矩形截面流道的研究表明，在相同的过流断面情况下，U形截面流道压力降更小，气体利用率也更高。熊济时等[22]通过模拟研究了平行流道五种截面形状（渐变、矩形、梯形、半圆形以及三角形）对PEMFC性能产生的影响，结果表明：流道尺寸渐变迫使气体收缩，增加了气体扰动，催化层和扩散层界面上的气体浓度增大，导致电池性能比其他几何形状的截面更好。Wawdee 等[23]将平行流道截面设置为平行四边形即向下倾斜的通道，阳极向下倾斜流道会引起水合梯度，使水反扩散到阳极中，从而能使膜电极组件的多余水及时排出。Intelligent Energy Limited[24]对直流道横截面进行设计，其平行流道的脊在垂直方向上总体呈波浪状扭曲且底部近乎连在一起，因此其流道截面总体呈上宽下窄且呈波浪状扭曲，这有利于反应气体充分与扩散层接触，提高了反应物的利用率。

在挡板方面，流道中设置挡板结构，能够促进反应气体向扩散层的扩散传质，从而提高电池的性能，但是这种结构一方面会增加气体流动时的压力损失，另一方面由于阻挡作用也会影响流道的排水性能，因此对于挡板的设计应充分权衡利弊。Baden-Württemberg 太阳能与氢能研究中心[25]在每条直流道底部设置了三块矩形挡板，相邻直流道设置方式分为两种，一种是对称设计，另一种是非对称设计，不管哪种设计其挡板都是等距的，加入的挡板能够增强流体的扰动，促使流体进入扩散层参与反应，从而提高电池的性能。Winter 等[26]在直流道的侧面也设计了矩形挡板，加强了反应气体在流道中横向的扰动，增加了反应气体在流道中的流动距离，相当于间接增加了反应气体在流场中的滞留时间。陈莉[27]则在直流道底部设置了劣弧形状的波浪形挡板，发现周期性的渐变式截面，可提升三相反应区表面的反应气体分压，增强反应气体向气体扩散层的传递。Heidary 等[28]通过数值模拟研究了直通道内挡板数量、高度以及阴阳极流道阻塞对燃料电池的影响，结果表明：沿5 cm 长通道的五个区块的阴极侧流道完全堵塞，使燃料电池净功率增加了30%，其原因是在流道的横截面被完全阻塞的情况下，剩下的唯一使氧气继续流动的途径是跨过阻塞区域通过扩散层多孔区域的扩散，提高了催化层上氧气的浓度；由于氢的扩散速率远远大于氧气的扩散速率，阳极挡板堵塞不会使燃料电池性能得到实质的提升；阻块数量适度增加会提高电池性能和极限电流密度。Chen 等[29-30]首先在矩形挡板的基础上，加入了流线迎风侧和倾斜的背风侧，在继承矩形挡板可增强反应物向气体扩散层传递优势的同时，可以减少反应物的流动阻力和挡板背风侧产生的涡流，从而增强排水作用，也进一步提高了电池的净功率。其次，在挡板和扩散层中间加入了多孔材料，进一步增强了气体到扩散层以扩散传质为主导的传递过程，为了保持高电流密度和降低泵工，提出对同一流道中沿流动方向不同位置挡板上设置孔隙率逐渐增加的多孔挡板。

1.3 进口分配段

反应流体在进入平行流场之初的分布状态，决定了其在流场中流动的分布状态以及在流道中的扩散状态，优化反应流体在进入流场之初的分配是提高燃料电池性能首先需要考虑的因素，因此许多研究着眼于反应流体进口分配段的结构设计。

对于平行流场来说，在进口和出口通常设置相同大小尺寸的总管或者空腔，由于反应过程中会产生水以及热量，这种进出口结构设计可能不利于反应流体在流场中的分配均匀性，同时还间接影响着流场的排水散热性能。对于进出口区域大小的设计，新源动力股份有限公司[31]发明了一种非对称结构的燃料电池极板，其阴阳极采用的都是平行流场，特点在于阴阳极出口面积大于阴阳极进口面积，提高了电池内部阴阳极反应物的分布均匀性，同时也保证了电流密度和热量的均匀分布，从而使各单电池输出性能的一致性也得到提高。熊承盛等[32]研究了Z 形流场（流体进出口同向）的进口分配段与出口汇流段宽度对阴极氧气浓度分布产生的影响。研究表明：当进气量不变时，增加出口汇流段宽度和进口分配段宽度会使氧气分布产生截然不同的效果，前者不仅增加了中间流道的压差，并且使流道中的压差变得更加均匀，有利于氧气的输送，因此氧气分布更加均匀且浓度更高，而后者反而会因为气体流速降低，流道中压差变得更加不均匀使氧气分布均匀性变差。

图2 逐步分流平行流场[33]Fig.2 Gradually split parallel flow field[33]

图3 进口带有微分配器的平行流场[34]Fig.3 Parallel flow field with micro-distributor[34]

为了合理分配反应气体，除了对进口分配段的尺寸设计，还需要考虑进口分配段的形式。王晶晶[33]采用CFD 方法对入口几何形状的设计如图2 所示，该平行流场入口通过逐步分流和设置微流道缓冲区增强了反应流体在进入流场时的均布性。Liu等[34]设计的平行流场板创新性在于其将流场进口各流道设置了微分配器，结构如图3 所示。并且通过CFD 模拟研究发现微分配器的设置能够有效提高流动分布的均匀性，当减小微分配器的尺寸时，子流道之间的压降的相对差值大大减小，对于给定的反应气体流量，由于流量与子流道中的压降呈正比，微分配器尺寸的减小会减小子流道之间的流量差，提高子流道上流量分配的均匀性；与蛇形流场相比，具有微分配器的平行流场使得燃料电池能够提供几乎相当的输出性能，但是会增大压力损失。用不同排布形式的点状流场作为缓冲区以提高反应气体在进入流场时的均匀性为不少研究者所关注。进口为点状流场的分布可以使反应气体从阻力较小的区域流过，不同结构点块与排列的设计可以引导反应气体向特定区域流动与扩散，合理的进口点状流场设计可以减小反应气体进入各流道的分配不均匀性，同时压降又不至于显著增大，但是进口分配器中插入障碍物会使反应流体分配的不均性对质量流量的依赖性更大。徐煜[35]发明的平行流道进出口加入了不同形式的圆柱形点状流场作为进口缓冲区，而Volkswagen Ag[36]则设置了矩形点状流场作为进出口缓冲区；Intelligent Energy Limited[37]发明了两种平行流道进口缓冲分配结构，第一种为短平行流道与圆柱凸起，第二种为两段较短的平行流道加圆柱形和不规则椭圆凸起。Ford Motor Company 等[38]发明的平行流道入口和出口分别加了两段整流挡板，分别是平行流道和与平行流道垂直的较短挡板。而Dabiri 等[39]设计了四种平行流场板入口流体缓冲区，其实质上是一系列小圆柱凸起的四种不同排列。数值模拟研究表明：该四种缓冲区结构（如图4所示），尤其是后两种，能够使反应流体的流动变得更加均匀。

图4 平行流场进口缓冲区[39]Fig.4 Parallel flow field inlet buffer[39]

1.4 流道布置

一般的平行流场在进口分配段和出口汇流段之间，其流道相互平行且无特殊的布置方式，由于容易出现散热效果差、反应流体分布不均以及水淹等现象，因此基于平行流场的特殊布置便显得极为重要。相比于传统的纵向长流道，江苏新源动力有限公司[40]发明的流场板改为采用与宽度方向平行的流道，因此流道长度会变短，但是流道数量会增加，采用此种流道会使流体流动阻力减小，能够比较大限度地利用采集空气，同时增强了散热效果，但这会增加进出口结构的长度，容易使进入流场的气体分配不均。Li[41]设计的PEMFC 阴极板，上下边缘直流道中间都有一块几乎贯穿流道始终平行于流道的分流挡板，反应流体在流道中经过此挡板分隔，分为两路。平行直流道采用此种结构，相当于是设置了分流道，即一根主流道在流场中间分为两根子流道，能促进反应气体的平均分配。Hydrogenics Corp[42]发明了一种中央部分具有分支的平行直流道（如图5 所示），相当于在减小流道尺寸的同时提高了流道在流场中的数量，促进了反应物的均匀分布。Qiu 等[43]利用不锈钢薄板制作了该形式的平行流场板，中间区域带有若干组分流道，通过实验研究发现，在连续操作500 h 期间电池仅发生0.026 mA/h 的微小性能退化。Lim 等[44]通过建模分析并总结了传统和改进平行流场设计对电池性能的影响规律，结果表明，分流道造成的多级流量分布可以实现反应物和压降的均匀分布，流道宽度从进口到中间部分逐渐减小，流道分支数量逐渐增多，可以促使反应流体从主流道进入各级分流道，流道宽度从中间部分到出口区域又逐渐增大，可以产生较大的压降，有助于均匀的流量分配和生成水的排出。因此反应物的利用程度会得到一定的增加，电流密度分布也会更加均匀，电池的性能会得到提升。

图5 具有分支的平行流场[42]Fig.5 Parallel flow field with branches[42]

综上所述，基于平行流场的设计与研究主要包括流道尺寸、流道截面、进口分配段和流道布置四个方面，具体的设计方向与内容、改善因素与结论总结在表1 中。在一定设计工况下，基于流道尺寸主要研究了当流道截面从流场入口到出口不变时不同流道宽度、深度以及脊宽对电池性能产生的影响，众多研究表明将平行流道的尺寸设置在1 mm以内，适当减小流道尺寸，且流道在流场中越致密越有利于燃料电池性能的提升；同时当流道尺寸从流道入口到流道出口发生渐变和突变时，研究也表明能够在一定程度上增强反应物向气体扩散层的扩散传质，从而提高电池的电流密度和功率密度。基于流道截面的设计，一方面流道截面的几何形状不仅限于矩形，通过改进流道截面起到降低流场压降、改善水管理等作用；另一方面，流道中不同形状挡板结构的设置在增强反应物扩散传质提高电池性能的同时可能会增加压力损失，不当的挡板设计还会不利于排水，因此需要综合考虑多种因素确定挡板布局。在流道布置方面，各种结构的分流道设计相比直通流道设计可使反应物在流场中的分配均匀性得到改善，反应物的利用率因此也会提高。在进口分配段设计方面，微分配器和缓冲区的设置能够改善反应物进入流场之初在各个流道内的分布状态。

2 基于蛇形流场的设计与研究

图1（b）所示的蛇形流场为PEMFC 的常见流场，针对于该类流场的研究和应用比较多，蛇形流场有单通道和多通道之分。一般来说，蛇形流场的扩散速度控制传质速度。除了反应气体在流道中与扩散层之间普通的扩散传质以外，因为蛇形流场的进出口距离一般较长，流道的进出口压差比较大，相邻流道间的压差还容易使反应气体经过肋下对流进入相邻流道；蛇形流道流速较高，压差较大，当燃料电池生成较多水时，它能够快速排出，从而避免水淹现象的发生。蛇形流道中产生的热量，由反应气流自上游向下游冲刷而带走，上游反应气体相对充足产热量多，而下游反应气体相对不足产热量少。当蛇形流场中流道过长时，蛇形流道会使流体由进口到出口的压力损失大大增加，反应物的消耗会造成电流密度由流道进口到出口的分布不均，由此也会造成热量分布不均。针对蛇形流场的设计研究与平行流场类似，主要集中在以下几个方面。

（1）在一定设计工况下，研究蛇形流道尺寸对燃料电池性能产生的影响，性能影响规律与平行流场类似。

（2）对流道的截面进行设计，研究新的截面设计对燃料电池性能的影响，截面设计通常包括：等截面形状、挡板等。

（3）着重于流场进口分配段设计，优化反应流体在进入流场之初在各个流道的分配。

（4）蛇形流场中U 形拐角结构会影响反应流体的速度分布以及电池的排水性能，因此部分研究着手流道U 形拐角的结构设计对燃料电池性能的影响。

（5）蛇形流道特殊布置方式对燃料电池性能影响的研究，通常包括分流道和分区流场。

表1 平行流场的设计与研究Table 1 Design and research of parallel flow field

2.1 流道尺寸

和平行流场类似，蛇形流道尺寸同样影响着燃料电池的性能以及排水、散热效果，表2列出了本部分的研究结果，整体来看，流道尺寸越小[46-48]，在流场中越密，在不改变流场板尺寸与流道长度的情况下开放通道面积越大[50]，越有利于电池性能的提升。因为在保持开放通道面积不变的情况下，适当缩小流道尺寸，意味着流道变得更致密，增加了流道和拐角的数量，流道拐角由于存在对反应流体的阻塞效应会使局部电流密度增加；同时对于蛇形流场来说，相邻流道的压差远高于沿流动方向的压差，这导致通过两个相邻流道之间的脊下对流增强，脊下对流不仅增强了气体向扩散层的输送，也有助于多孔层中液态水的排出；在相同的反应物入口流速下，反应物入口速度随通道尺寸的减小而增加，这会增加电池入口区域中的局部电流密度；减小的沟道和脊的尺寸也改善了电池中电流密度分布的均匀性；另外，入口流速的增加增强了电池去除液态水的能力并减少了水淹现象。因此，随着流道尺寸的减小，电池性能提高。目前研究较多的依然是单蛇形流道最佳尺寸，针对于蛇形流道数目与流道尺寸的最佳匹配问题的研究依然较少，但是这方面无疑是需要去加以深入研究的。

表2 蛇形流场的设计与研究Table 2 Design and research of serpentine flow field

在渐变尺寸方面，新源动力股份有限公司[14]设计了宽度逐渐变窄的三通道蛇形流场，该渐缩流道有利于电池内部液态水的及时排出从而避免了水淹现象的发生，较好的水管理能使燃料电池平稳运行较长的时间。赵胜男[53]通过实验研究了不同深度的单蛇形流道对燃料电池性能产生的影响，四种流道深度分别为：1 mm、2 mm、入口2 mm 到出口0.9 mm 逐渐减小、入口0.9 mm 到出口2 mm 逐渐增大。当流道深度由入口到出口逐渐减小时，电池性能最好；而当流道深度由入口向出口逐渐增大时，电池的阻抗小。林林等[54]利用简化共轭梯度法和三维PEMFC 数学模型研究了单蛇形流道最佳高度参数，发现当蛇形流场中间流道尺寸逐渐减小而出口流道尺寸逐渐增大时，电池的性能最好，且其性能比普通蛇形流场高出11.9%。渐缩型流道增加了反应气体沿流动方向的流动速度，因此可以更有效地将反应生成的水排出，从而降低了氧气向阴极扩散层和催化层的传递阻力。并且，渐缩型流道改善了反应气体在脊下方的速度分布，增强了沿流动方向的脊下对流效应，电池性能得到提高。对于出口流道，由于脊下对流效应过强，可能会使反应气体直接窜流到相邻流道造成“短路”，因此将其改成渐扩型反而会使电池性能进一步提高。

2.2 流道截面

一般的蛇形流道截面是等截面矩形，为了增强燃料的扩散作用以及排水效果，类似于平行流道的截面设计同样适用于蛇形流道，通常也包括截面形状设计以及挡板设计。

在等截面形状设计方面，Freire 等[55]通过实验研究了当蛇形流道截面分别为矩形和梯形时，不同操作参数对电池性能的影响。研究表明：当系统中的水含量高时，梯形截面的设计减少了流道底面的黏滞阻力，加快了反应流体在流动方向上整体的线流速，对反应生成水有较好的引流排除作用，梯形截面的高除水能力会对电池在高电流密度区性能产生积极影响；当电池中的水含量低时，梯形截面反而会使膜的水合效率降低，而矩形截面的蛇形流道对电池的除水性能影响可以忽略不计。

在变截面形状设计方面，Shen 等[56]通过实验研究了单蛇形流道中排布紧密程度不同的矩形挡板对电池性能的影响，随着挡板堵塞的增加，气体速度与阴极浓度梯度之间的平均协同角减小，有效传质系数得到提高，从而改善了PEMFC 的性能。Ebrahimzadeh 等[57]利用双蛇形流道模拟了三角形、圆柱形、方形和梯形四种挡板对电池的影响，结果表明，三角形挡板在产生的电流密度和压降方面具有最佳性能。王传宾[58]通过模拟研究了蛇形流场单流道与多流道中波纹形挡板对PEMFC性能的影响，发现设置波纹形挡板的单流道蛇形流场与多流道蛇形流场都有利于气体的扩散传质，原因在于当反应气体在设置波纹形挡板的流道中流动时，气体与波纹形挡板的周期性碰撞使气体产生垂直流动方向的法向速度，进入扩散层的气体增多，当挡板个数增加时，随着气体在流动方向上周期性的收缩扩张增强，垂直于扩散层截面的法向平均速度增大，扩散层内对流逐渐增强，能促进阴极催化层生成的水及时排出，因此PEMFC 性能相对较好。Kuo 等[59]通过数值模拟研究了具有波浪壁面的流道对传质的影响。与传统的直通气流通道相比，所提出的气流通道的波浪状几何形状使Nusselt 数增加了约2倍。周期性波纹状结构增加了通道中的气体流速，改善了催化反应性能。Yan 等[60]设计了一种三维梯度波纹形流场，即从流道进口到出口波纹挡板高度和周期逐渐增大，研究发现该流场在高电流密度下净功率提高了114%。

2.3 进口分配段

蛇形流道由于在流场中具有较多的拐角结构，和平行流道相比，即使多蛇形流道进出口区域仍然较小，由进口结构造成的反应流体分配影响较小，因此其进口设计一般沿用平行流道的进口设计。上海交通大学[61]发明的蛇形流场板特点在于流场的气体出入口附近设置半高脊和半深槽[图6(a)]，有利于气体根据压差变化通过窜流进入各流道，优化了反应气体在进入蛇形流道之初的分配。Belchor等[62]为了改善PEMFC 的水管理性能，设计了进出口带有挡板的蛇形流场板和个别出口封闭的蛇形流场板，通过在三种不同湿度条件下的实验对这两个流场板进行了评估。实验表明：在低加湿条件下，进出口带有挡板的蛇形流场板表现出更好的性能，原因在于个别流道出口封闭能够增强反应流体的脊下对流效应，反应气体进入扩散层传递作用增强，同时，在低产水量条件下，由于某些流道连接到进气口而不连接到排气口，避免了系统中水的排出，维持了膜的润湿性，高效的质子传输速率可以提升电池的性能。Wang 等[63]设计了三种形式的带有挡板的蛇形流场，挡板可完全封闭蛇形流道，因此会形成交指结构。三维模拟结果表明：在高电压情况下，传统蛇形流场与带有挡板的蛇形流场对电池性能影响相当；在低电压情况下，带有挡板的蛇形流场性能要好于传统蛇形流场，因为挡板设计能够增强肋下对流。值得注意的是，蛇形流场本身压降就比较大，增加挡板结构或形成交指结构都会进一步增加压力损失，影响反应物的流动与排出。

2.4 U形拐角

图6 设置半高脊、半深槽的蛇形流场[61]Fig.6 Serpentine flow field with semi-high ridge and semi-deep groove[61]

由于蛇形流场具有较多的U 形拐角结构，会影响反应流体在转弯之后的速度分布、压力分布以及流场的除水能力等，为了强化反应流体在经过U 形拐角后的分配与扩散，增强排水性能，有很多人针对拐角结构进行了设计与研究。传统的蛇形流场其拐角结构为直角形式的等高矩形截面，如图6（b）所示。上海交通大学[61]在蛇形流道拐角处最内侧设置的半高脊有助于疏通气流盲道，同时有利于减小蛇形流道的压力损失。Utc Power Corp 等[64]则是将蛇形流道U 形拐角处加入圆柱形凸台设计，使反应流体在拐角处能够经过导流块的分散再次均匀分布到各个流道。Chang 等[65]在蛇形流道的U 形拐角处加了若干条贯通流道，即允许各蛇形流道流体在转弯处窜流到其他蛇形流道，此设计能够优化反应流体的再分配，强化传质，提高反应物利用率。Liu等[66]通过数值模拟研究了蛇形流道U 形拐角处外壁面倾斜角度对流道排水性能的影响。在拐角处外壁面倾斜的改进流道中（图7），当液滴到达斜坡壁之后，由于倾斜角为钝角，液滴的动量方向部分转换为指向底部的方向，从而促使液滴扩散到倾斜壁面上。然后，随着进一步的移动，液滴从MEA 表面完全脱离并成功降落在流道底部，然后在气流的剪切力作用下向下游传输，而不再接触MEA 表面。综合考虑压降、除水以及运输效率时，外壁面倾斜的U形拐角具有与直通道相同的截面积是理想的。倾斜角应足够大，以确保液滴不会从通道底部回弹到膜电极组件表面，同时倾斜角度不应过大，否则会降低水的去除和运输效率并增加压降。流道壁面接触角、倾斜角和气体流速是影响排水性能的三个重要因素。Jaruwasupant 等[67]提出了一种预测速度分布和压降的三维数值模拟方法，研究了蛇形流道四种通道U形拐角曲率（内外壁面均为直角、内圆角外直角、内直角外圆角、内外均为圆角）对电池产生的影响，发现气体分布的最佳通道曲率为直角形式的U 形拐角，因为较高的气体分布出现在上部曲线上，而较低的气体分布出现在底部曲线上，气体避让区域位于底部中心。因此它具有二次流动和较高的气流面积，但是速度和压降也较高。

2.5 流道布置

为了减小蛇形流场因流道过长而造成的压降过大和流体分配不均，针对于传统蛇形流场的布置与研究也较多。在分流道方面，BYD Company Ltd[68]发明的蛇形流场板阴极板入口分为四条流道，在经过第一个转弯处时合并成两条流道，在靠近出口的最后一个转弯汇合成一条流道；对于阳极流道来说，其入口分为两条流道，在经过第一个转弯处合并成一条流道，优化了反应流体在流场中的分配。Canfield[69]发明的蛇形双极板，特点在于将流体的进出口设置在了极板的中部，流体从进口开始分成两路流入两侧的蛇形流道，两侧的蛇形流道在经过第一个转折后汇集到一起。同时在靠近出口处，蛇形流道又分为两路从两侧流入中间的出口，在提高有效利用面积的同时减小了压降。除此以外，在分区流场方面，Abdulla 等[70]设计了三分区蛇形流场，发现该蛇形流场可以增强U 形弯曲的交叉流动，避免水淹的同时增强了氧气的补充。Min 等[71]则设计了如图8 所示的九分区蛇形流场，该流场结构可以增加蛇形流场的拐角数量同时减小拐角距离，多拐角可以产生更强的二次流，短距离的多段拐角有利于增强肋下对流，改善了电池的性能。

图7 U形拐角外壁面倾斜的蛇形流场[66]Fig.7 Serpentine flow field with curved outer wall[66]

图8 九分区蛇形流场[71]Fig.8 Nine-part serpentine flow field[71]

综上所述，基于蛇形流场的设计与研究主要包括流道尺寸、流道截面、进口分配段、U 形拐角以及流道布置五个方面，内容总结如表2 所示。在流道尺寸设计方面，和平行流场相似，蛇形流道尺寸同样影响着燃料电池的性能以及排水散热效果，流道尺寸越小，在流场中越密，开放面积越大，越有利于电池性能的提升；不同形式的渐变尺寸设计对电池产生的影响是不同的，其能够在不同程度上改善电池的水管理或电性能。在流道截面设计方面，挡板的设置促进了气体向气体扩散层的扩散传质。在进口分配段设计方面，半高脊和挡板两种完全不同的设计对电池产生了不同的积极影响，半高脊改善了反应物在进入流场时的分配，进口挡板则增强了肋下对流。由于蛇形流场具有较多的U 形拐角结构，会影响反应流体在转折之后的速度分布、压力分布以及流场的除水能力等。为强化反应流体在转折后的分配与扩散，增强排水性能，部分研究者采用了半高脊、贯通流道以及倾斜壁面等结构设计。在流道布置方面，分流道和多分区蛇形流场可改善反应物的分配，增强扩散传质，提高水管理性能。

3 基于交指流场的设计与研究

图1（c）所示为交指流场，交指流场是一种流道间断的流场，间断流道迫使流体强制对流进入扩散层，带动了扩散层空隙内液态水的流动与排出，因此提高了反应物和反应产物的传输速率，使电池的功率密度获得提升。流动的液态水和反应物与扩散层发生对流换热，带走反应产生的热量。但该流场也会增加进出口压降，这是因为断续的流道结构本身存在的阻力较大，严重时可发生反应流体与生成水的阻塞滞留现象，同时会导致局部过热。反应流体过高的流速容易对扩散层造成较大的冲击而损坏扩散层。单纯针对交指流场的研究较少，主要分为两类：（1）研究交指流场尺寸，包括恒定与渐变流道宽度、脊宽对燃料电池性能的影响；（2）对交指流场截面进行设计，通常包括等截面形状设计和在流道中设置挡板，以研究对燃料电池性能产生的影响。

在尺寸方面，Guo 等[72]设计了一个交指流场并应用红外成像技术观察了电池在运行时的温度分布，膜电极阳极侧表面的最高温度出现在两侧通道的底部，而最低温度出现在靠近中间通道入口的区域。流场分布不均匀是导致交指流场温度分布不均匀的一个关键因素。因为交指流场的两侧通道由于高流速更有利于质量传递，两侧区域的电化学反应也更充分，局部电流密度更高。孙红等[73]从伏安、阻抗、电容特性等角度通过实验研究了交指流场脊宽对PEMFC产生的影响。研究结果表明：增大交指流场脊宽会使燃料电池性能获得提升，原因在于宽度更大的脊会使进入扩散层与催化剂接触的气体增多，同时还会增加与膜电极的接触，减小欧姆阻抗。北京工业大学[74]发明了一种非对称交指流场，该流场的进口流道宽度大于出口流道宽度，研究发现，当电压保持不变时，燃料电池输出的最大功率密度和电流密度都会显著增加。在此基础上，Zhang 等[75]通过实验发现交指流场出口流道越窄，虽然会使欧姆阻抗略有增加，但是由于电化学活性区的增加会使燃料电池性能得到提高。王科[76]利用三维数值模拟模型以及实验研究发现交指型流道比直流道性能更好，但是交指型流道进出口压差更大。BYD Company Ltd[68]提出了一种流道截面逐渐变宽的交指型流场，相比传统等截面交指型流场，该流场结构能降低压力损失，提高反应物利用率。

图9 中间带有挡板的交指流场[78]Fig.9 Interdigitated flow field with baffles[78]

在截面设计方面，Univ Ramot At Tel Aviv Ltd[77]将交指流道截面采用双重凹槽的形式，该流场板结构能够在尽量减少压力损失的同时提高反应物的利用率，从而使燃料电池的持续输出性能得到提高。Thitakamol 等[78]在传统交指流场的基础上设计了一种图9所示中间带有挡板的交指流场并通过实验研究了该新型设计与传统交指流场的性能对比，发现当空气用作阴极反应物时，具有挡板的交指流场性能是传统交指流场性能的1.2～1.3倍，且其极限电流密度也更大；当氧气用作阴极反应物时，该新型流场与传统交指流场性能相当。Ku 等[79]介绍了一种新型的交指流场内长方体挡块的设计，通过仿真和实验验证发现，增加长方体挡块数量可以提高电池性能，原因在于随着挡块数量的增加可以迫使气体流入气体扩散层和催化层，以增加在催化剂层发生电化学反应的可能性。但交指流场本身压降较大，挡板结构设置更应考虑其对流场压力损失以及排水性能的影响。

综上所述，针对交指流场的设计方向与研究内容总结在表3中，在尺寸设计方面，应该通过增加流道宽度、脊宽以及开孔率以提高燃料电池的性能。在截面设计方面，挡板结构同样能够增强反应物向气体扩散层的扩散传质，但应考虑其对流动阻力的影响。

4 基于点状流场的设计与研究

图1（d）所示为点状流场，在这种流场中反应气体压降很小，合理的点块布置形式会引起反应气体不断地收缩扩张，增强了反应流体的扰动，反应气体向扩散层的扩散传质过程增强。不断发生扰动的反应气体沿流动方向平铺流动，带走反应生成的水，反应流体与扩散层充分接触，通过与扩散层发生大面积的对流换热将流场中的热量带出。但是由于反应气体倾向于从阻力较小的流道流过，导致反应气体在流道中分布不均匀。不合理的点块设计，可能会使反应气体在一些区域形成涡流，造成燃料的短路。过小的压降容易使电池的排水散热性能受到影响。

图10 一种点状流场板[80]Fig.10 Spot flow field plate[80]

表3 基于交指流场的设计与研究Table 3 Design and research based on interdigitated flow field

上海恒劲动力科技有限公司[80]的设计如图10所示，点块形状类似于弯月状。该点块的凹凸结构可以使反应流体经过分流均匀地分布于流场中，同时也增强了反应流体的扩散传质，优化了水管理性能。上海科用机电设备有限公司[81]采用了五棱柱形状点块，Rosenberg 等[82]采用了月牙状、梯形点块，中国科学院大连化学物理研究所[83]采用了圆弧过渡的正方体点块，Gen Electronic Company[84]采用了布置方向不同的椭圆柱体点块。Atyabi 等[85]设计了六棱柱体点块的错布排列，六棱柱点块的存在使气体扩散层处的氧气扩散速率增加了十倍，增强了氧气向气体扩散层的传递。阴极气体通道上的压力是影响PEMFC整体性能的有效因素。由于压力增加，进入气体扩散层的氧气质量流量增加。由于流场的规则布置，在蜂窝状流场处可实现压力的均匀分布。发现该流场的氧气质量分数、局部电流密度、温度和水含量的均匀性好，有利于防止水淹和过热现象的发生，且该流场的流阻较低。

综上所述，对于点状流场，优化点块形状与布置方式可以改善水管理，提高反应物的利用率，进而提升燃料电池的性能。

5 基于组合流场的设计与研究

组合流场是指将两种或两种以上的传统流场设计实现在同一流场板上。组合流场综合了不同流场的优点，是目前流场发展的重要方向之一。相比于普通的单一类型流场，组合流场的设计与加工比较复杂，同时组合流场并没有从根本上脱离传统流场的束缚，对电池各方面的性能改善效果是有限的。

中国石油大学（华东）[86]发明了一种混合型结构流场，如图11 所示。该流场是将蛇形流道、点状流场和平行流道相组合的一种混合型流道。反应气体先进入蛇形流道，经过点状流场均匀再分布后进入平行流道。大面积的蛇形流道保证了整个流场的排水性能，从蛇形流道出来未经反应的气体经点状流场再分布后均匀进入平行流场，流速降低，压差减小，与膜电极充分接触并且被再利用。整个设计提高了反应气体的利用率及电池输出性能的稳定性，并降低了反应气体的压降。沈阳建筑大学[87]发明的流场结构包括交指型流道和蛇形流道，交指型流道末端与蛇形流道首端相连。该结构综合利用交指型流道和蛇形流道的优点，在交指流道促进反应物利用的同时，蛇形流道增强了交指流道的排水性能，使电流密度分布也更加均匀。浙江工业大学[88]将蛇形流道与交指流道结合发明了一种主动排水的双极板（图12），分布于流场两侧的流道为交指型流道，中间的蛇形流道分布在两条交指型流道之间，该流道可以改善传统交指型流场容易水淹的问题。

图11 蛇形流道、针形流道和平行流道[86]Fig.11 Serpentine flow channel,needle flow channel and parallel flow channel[86]

图12 交指流道和蛇形流道[88]Fig.12 Interdigitated flow channel and serpentine flow channel[88]

综上所述，组合流场能够综合不同流场的优点，特定的组合流场设计能够改善电池在某些方面的不足，是流场设计时应重点考虑的方向。

6 基于仿生流场的设计与研究

仿生流场是近几年研究较多的一类流场，其一般是基于自然界中树的枝干分布、树叶的脉络分布以及人体心肺血管分布设计的。此类流场相比传统流场，其具有遵循Murray 法则分布的主流道与多级分形维度上的分支流道，反应气体经主流道再分流进入各分流道，合理的分支结构设计使反应气体流量不断细分，因此其特点在于使流体在整个活性反应面积分布均匀且停留时间较长，使反应物得到充分利用，燃料电池的电流密度分布也会更加均匀。仿生流场中，流体具有良好的流动特性，合理的流道分支可使流线分布平滑，有利于相邻主流道之间的气体交换。由于分支流道的存在，相邻流道之间的流体流动被加强，仿生结构各单元之间频繁形成分流与合流，因此反应流体的速度变化明显，气流会发生扰动与压力的变化。流道每级分支流道中产生的水和热量都会由反应气流带入汇合到上一级分支流道中，最后由主流道排出，均布细致的多级分支结构也有利于将反应生成的水和热从流场中排出。仿生流场的分叉角度和分叉数量影响反应气体在流道内部的流动，反应气体在分叉区域的流动容易导致压降过大。与此同时，仿生流场的复杂形式不利于加工。仿生流道的设计与研究，按其结构大致可分为三大类：（1）基于树枝形；（2）基于叶脉形；（3）基于肺形。

6.1 基于树枝形流场的设计与研究

李昌平[89]设计了一个用于高温PEMFC 的树枝状分形流场结构（图13），通过数值分析研究得出：该分支流场结构相比传统流场能够提供更均匀的流场分布、电流密度分布，这是因为该分支流场每一级流道内气体压力都是相同的，即从上一级流道分支到下一级流道后，分支流道内气体的压力分布无差异，为反应气体在流道内的均匀分布提供了动力条件；其次，分支流道能将来自反应流场流道内的热量经过分支流道汇集，然后通过主干流道将热量排出电池外，因此分支流道具有良好的排热效果。该树枝状分形结构流场比传统的平行流场其最大功率密度可提高24%左右。武汉理工大学[90]发明了若干种基于树枝状仿生结构的质子交换膜燃料电池双极板，其优点在于有利于主流道的气体分配，能够有效防止流道阻塞而造成的水淹，可通过提高反应物的利用率来提高燃料电池的性能和稳定性。

Damian-Ascencio 等[91]介绍了一种具有树枝状流道的流场板（图14），指出支路分叉和倾斜坡度是表征该结构流场的两个参数，具有两个分叉水平的配置对反应物具有更好的流量分布。但是，过大的分叉角度容易限制气体的流动，特别是在分叉所在的区域，导致大部分气流停留在主流道上。通过数值模拟得一级分叉角度74°、二级分叉角度37°时，流场能够有效地去除阴极流道中的水分，产生较高的电流密度；通过增加分叉的数量，使反应物气体在活性区域上的分布更均匀，从而产生更均匀的电流密度，可以获得更好的燃料电池性能。苏宇静[92]利用Fluent建立了树枝状分形的交指流场和平行流场结构，并且流场结构分为对称和不对称的。研究表明树枝形交指流场设计为不对称时能丰富质子交换膜的含水量并且使氢气的利用程度增加，因此燃料电池性能最好，比普通交指流场提高了36.7%。而树枝形平行流场设计为不对称时并不能使电池性能得到明显改善。

图13 树枝形流场[89]Fig.13 Tree branch shaped flow field[89]

图14 树枝状分叉流场[91]Fig.14 Tree branch bifurcation flow field[91]

6.2 基于叶脉形流场的设计与研究

乔运乾[93]仿照树叶叶脉仿生结构，根据Murray法则设计了叶脉形流场结构，利用计算流体力学软件模拟了电池内的电化学反应和热质传递过程，研究发现如图15 所示的流场板有着良好的性能。同时，发现PEMFC性能会受仿生流道分支数量和位置的影响，通过增加不同位置以及不同数目的分支，使其更接近自然界中树叶的叶脉形式，气体的分布也更加合理，在流道分流和合流的区域附近，速度变化最明显，分流速度降低，合流速度增加，容易造成气体的扰动以及在进出口形成压差，使更多的气体能够参与反应，有利于除水和电池性能的提高。吴明格[94]设计了一种叶脉形态的仿生结构流场，通过模拟与实验研究发现，该叶脉流场的主动排水性能很好，能有效防止水淹现象的发生。缩短该仿生流场分支流道的长度并且脊的宽度发生渐变可以提高电池的性能。

6.3 基于肺形流场的设计与研究

图15 叶脉形流场[93]Fig.15 Leaf vein flow field[93]

图16 肺形仿生流场[95]Fig.16 Pulmonary bionic flow field[95]

Kloess 等[95]基于肺形设计了如图16所示的仿生流场，并且通过模拟与实验对比了其与传统蛇形流场和交指流场的性能，发现仿生流场从入口到出口的压降都要小于传统蛇形流场与交指流场，沿气体扩散层的压力分布也更加均匀，肺形设计减少了高压区域，同时肺形设计中的气体流速相对较小但是更加均匀，减小了速度分布的尖峰和死区，有助于气体在扩散层中的均匀扩散，因此仿生流场的峰值功率密度比传统流场高30%左右。Asadzade 等[96]基于人体肺结构设计了肺形双极板，数值模拟研究结果表明：肺形微流体流动模式有利于获得最大功率密度。Turpin 等[97]根据人类肺中血管分支仿生结构设计了仿生流场，由主干流道不断往下分支，随着分支数量的增加，其分支截面越来越小。采用此种结构，能够强化传热传质，促进反应物的利用。同时需要指出的是，由于分形维度的随机性，该流场结构较难获得燃料电池性能最佳的结构，且对于流场的加工也存在一定难度。

基于仿生流场的设计与研究内容总结在表4中。

7 基于三维精细化流场的设计与研究

三维精细化网格流场是近两年兴起的新型流场，流场由众多微供气单元排列而成，微供气单元改善了燃料电池的供气方式，挡板结构与扩散层呈一定角度，迫使反应气体进入扩散层，尤其是在高电流密度区通过增强浓差扩散从而使燃料电池性能获得显著提高。但是，由于其结构的复杂性和尺寸的精密性，对加工精度和成本控制都提出了更高的要求。

Niu 等[98]介绍了丰田Mirai 燃料电池双极板，如图17所示，该流场板使得阴极进气方向与扩散层呈一定夹角，导流板中间将气流引向气体扩散层以增强质量传递，改善了反应气体的供应方式，大大强化了流体的传质作用。导流板两侧则将液态水从气体扩散层表面的不同位置引向流动通道的顶壁，然后由快速流动的反应气体带出流场。由于三维精细化流场的供气单元结构尺寸微小，大多为零点几毫米，对于大面积的流场板来说，均匀密布的供气单元结构使反应气流细微而又均匀分布于流场板，反应气体均匀而又充分的流动可以将电池产生的大部分热量带出。该设计重点考虑了增强反应物传质与除水作用，当PEMFC 以高电流密度操作时，可以改善阴极流动通道中的水积聚现象。Zhang等[99]设计了一种三维精细化网格流场，结构如图18所示。通过数值模拟研究发现，三维精细网格流场可以显著改善从流场到多孔电极的反应气体供应，同时有利于PEMFC 中液态水的去除。因此，由于气体扩散层与流场和氢气与空气的垂直流动设计之间的传质面积大大增加，可以有效地降低PEMFC的浓差损失，使得反应速率分布在扩散层中更加均匀。然而，在该流场中扩散层和双极板之间的较小接触面积可能在低电流密度下降低PEMFC 性能。Dhahad 等[100]发明了一种三维精细化流场，该精细流场分为突出部分、平台部分、粘合部分、圆形通道部分，反应流体可以通过圆孔进入扩散层，且由于流体进入扩散层时其进气方向与扩散层呈一定的角度，会增强扩散作用。通过这种结构能够强化反应流体的流动，减小气体扩散层各处的气体扩散浓度差，实现较均匀的电化学反应。

表4 基于仿生流场的设计与研究Table 4 Design and research based on bionic flow field

图17 丰田Mirai流场[98]Fig.17 Toyota Mirai flow field[98]

图18 一种三维精细化流场[99]Fig.18 Three-dimensional refined flow field[99]

综上所述，三维精细化流场相比平行流场与蛇形流场等，其精密的三维结构改变了反应气体的供气方式，在分散反应气体的同时通过每个单元挡板的设计增强反应气体向扩散层的扩散传质，极大减少了电池的浓差极化，从而提高了电池的性能。但是，由于其结构的复杂性和尺寸的精密性，对加工精度提出了很严格的要求。

8 关于不同流场设计的对比与建议

本文分别介绍了基于平行流场、蛇形流场、交指流场、点状流场、组合流场、仿生流场以及三维精细化流场的设计与研究。表5所示为所介绍不同流场之间的优劣与设计方向对比。基于不同流场的优劣对比与结构上的设计方向，给出如下建议。

（1）平行流场在燃料电池中应用广泛，加工简单且制作成本低。但是传统的平行流场由于存在流量分布不均以及水淹造成的性能恶化等问题，必须围绕其流道尺寸、流道截面、流道进出口以及流道布置等方面进行结构上的改进与调整，以尽量修正其存在的缺陷。总体上，目前平行流场正朝着尺寸精细化与导流式的方向发展，对于流道布置与进出口的改进研究关注较少，流场的合理优化设计应该综合考虑所有的结构影响因素。

（2）蛇形流场由于其良好的排水性能在燃料电池中也存在着广泛的应用，但是由于其特殊的转折流道结构，会引起沿流动方向电流密度分布不均以及压降过大的问题。对于其反应物传质与分布的改善，应重点考虑流道尺寸、流道截面、进口分配段、U 形拐角以及流道布置等方面。目前对于进口分配段的设计与研究较少，对于多通道蛇形流场来说，进出口结构的设计显得尤为重要，它所决定的反应气体进入流场与排出流场时的状态又会反过来影响电池性能，是不容忽视的结构影响因素。

（3）交指流场由于其间断流道迫使反应气体强制对流进入扩散层而使电池性能得到提高。目前对于交指流场设计与改进的研究较少，改进目标应重点放在如何减小流阻、提高排水性能上，除了考虑尺寸设计与截面设计等方面，还应考虑其流道布置形式的影响，交指流场与蛇形流场或平行流场的组合使用，可以直接改善其排水性能差与流阻大等缺点，因此交指流场与其他流场的组合形式及布置的研究也比较重要。

（4）在点状流场中，目前对于点块形状的研究较多，点块形状决定了反应气体的绕流方式与特点，而点块的布置方式则影响了反应气体的流场，进而影响了反应气体的分布均匀性与流场的排水散热性能，因此对点块布置方式的考虑在点状流场设计中是不容忽视的。

表5 不同流场的优劣与设计方向对比Table 5 Comparison of advantages and disadvantages of different flow fields and design direction

（5）组合流场能够综合不同流场的优点，特定的组合流场设计能够改善电池在某些方面的不足，是流场设计时应重点考虑的方向。对于组合流场的设计与研究首先应考虑其在变工况作用下对电池某一特定性能的改善效果，其次还应考虑不同流场的组合与所占面积比例对电池性能所产生的不同影响。

（6）仿生流场的设计与改进，应重点考虑每级分形维度上分叉角度与分叉数量的影响，它们影响着反应气体的流动与分布状态。

（7）对于三维精细化流场来说，单元供气结构是影响反应气体扩散传质与流场排水散热的关键因素，因此对于单元供气结构的设计与改进是三维精细化流场的研究重点。同时，由于其结构的复杂性和尺寸的精密性，对加工方式和加工精度提出了很严格的要求，该种流场在低电流密度区对电池性能的改善作用并不明显，甚至会因为与膜电极接触电阻过大而使性能降低，因此对该种形式流场的设计与使用应充分权衡制作成本和对电池性能改善的利好程度。

通过以上的介绍可知，目前质子交换膜燃料电池流场板正在朝着尺寸精细化、结构三维化的方向发展。因此未来如何进行三维精细化流场的合理结构设计来进一步提高电池的功率密度以及增强主动排水散热效果是研究者应该考虑的重要方向，并且由此带来的加工工艺改进与生产成本控制问题也是不容忽视的。目前，针对于常用流场的设计与研究主要集中在一定设计工况下的单一结构（如上所述的流道尺寸、流道截面、进口分配段和流道布置等方面），对于变工况下的多流场结构设计与研究仍然较少，因此应当开展流场结构多参数多目标优化的研究，有效提升燃料电池流场板的变工况适用性。

9 结 论

本文对质子交换膜燃料电池流场板的设计与研究现状进行了总结分析，主要结论如下。

(1)基于平行流场、蛇形流场和交指流场的结构改进主要在流道尺寸、流道截面、进口分配段、流道布置以及U形拐角结构等方面。这些改进能够在不同程度上优化反应流体的分配，增强反应物的扩散传质，改善水热管理性能，降低压力损失，进而提高燃料电池的性能。对于点状流场，具有导流形状的点块与合理的布置方式改善了反应流体的分布，提高了反应物的利用率，进而提升了燃料电池的性能。

(2)组合流场以不同结构流场组合布置方式为主，能够综合不同流场的优点，特定的组合流场设计能够改善电池在某个方面的不足，是流场设计时应重点考虑的方向。

(3)仿生流场根据结构和分形维度的不同分为树枝形、叶脉形以及肺形。其最大的特点在于使流体在整个活性反应面积分布均匀且停留时间较长，有利于提高反应物的利用率，燃料电池的电流密度分布也会更加均匀。其次，合理的仿生流场也有利于减小流道内的压降，使流道内的压力分布也变得更加均匀。

(4)三维结构优化设计是三维精细化流场最重要的考虑方向，其能够显著改善燃料气体的供应方式，降低浓差极化，从而使燃料电池性能获得显著提高。

(5)质子交换膜燃料电池流场的设计应克服以前主要考虑单一结构、以设计工况为主考虑问题的局限性，开展多参数多目标优化的研究，有效提升燃料电池流场板的变工况适用性。