劉穎 趙洪輝 盛夏 潘興龍 許德超 金守一

（1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130013）

主題詞：質(zhì)子交換膜燃料電池 雙極板 流道形式 流道結(jié)構(gòu)

1 前言

隨著國內(nèi)燃油汽車保有量不斷增加，我國石油對外依存度超越安全線。除此之外，由于內(nèi)燃機(jī)大規(guī)模普及造成的大氣污染嚴(yán)重、溫室效應(yīng)加劇等現(xiàn)象也逐漸凸顯。為了實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，作為零排放清潔能源的質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC），將成為碳中和的主力軍。

雙極板作為PEMFC的核心部件之一，其結(jié)構(gòu)直接影響反應(yīng)氣體的利用率及燃料電池的排水和散熱性能[1]。Jiang歸納了雙極板在燃料電池結(jié)構(gòu)上所需具有的6個(gè)基本功能[2]：

（1）分離電堆中各單電池；

（2）輸送氧氣和氫氣；

（3）提供電氣連接，傳導(dǎo)電能；

（4）去除生成水等副產(chǎn)物；

（5）冷卻液消散反應(yīng)熱；

（6）承受電堆組裝夾緊力。

基于上述功能對雙極板進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常包括9個(gè)基本要求[3]：

（1）抗腐蝕性強(qiáng)；

（2）電阻低，導(dǎo)電性能優(yōu)異；

（3）傳熱性良好，能夠有效控制電池溫度；

（4）出入口壓降損失適中；

（5）易加工成型；

（6）排水能力強(qiáng)；

（7）質(zhì)量?。?/p>

（8）機(jī)械強(qiáng)度高；

（9）成本低廉。

雙極板設(shè)計(jì)的要點(diǎn)可以分為流場形式和流道結(jié)構(gòu)2類，其中流道結(jié)構(gòu)又包括流體分配區(qū)尺寸、導(dǎo)流區(qū)構(gòu)型、流道的長度與數(shù)目、流道溝寬與脊寬的比值，流道設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其對電池性能的影響關(guān)系如圖1所示。

圖1 流道設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其對電池性能的影響關(guān)系[4]

本文就雙極板流道形式與流道結(jié)構(gòu)2項(xiàng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了概述，重點(diǎn)介紹了不同流道形式的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，并通過文獻(xiàn)綜述與自身仿真研究相結(jié)合的方式研究了不同形式流道對壓降及雙極板性能的影響；在雙極板流道結(jié)構(gòu)概述中，通過對標(biāo)國內(nèi)外雙極板結(jié)構(gòu)識別出優(yōu)選的雙極板結(jié)構(gòu)形式。

2 雙極板流道形式

自20世紀(jì)80年代以來，研究者們便對雙極板流場的構(gòu)型進(jìn)行研究，基礎(chǔ)的流場結(jié)構(gòu)包括直流道、單路蛇形流道、多路蛇形流道、交指型流道、網(wǎng)格型流道和仿生型流道，各流道形狀如圖2所示。

2.1 直流道

直流道（圖2a）是多條豎直流道以并聯(lián)的形式進(jìn)行分配，其優(yōu)點(diǎn)是易加工成型，流動阻力小，流體出入口壓降損失小。但是，由于平行流場各流道之間壓差較小，相鄰流道之間的強(qiáng)制對流弱，因此反應(yīng)氣體主要依靠擴(kuò)散的方式進(jìn)入氣體擴(kuò)散層（Gas Diffusion Layer,GDL）進(jìn)行反應(yīng)，且由于氣體流速不大，在脊下和流道邊緣處聚集的液態(tài)水不容易排出，易造成部分電極水淹的現(xiàn)象，進(jìn)而影響電池整體性能[5]。

圖2 雙極板常見流道形狀[1]

本文以深度0.4 mm，寬度0.5 mm的流道為基礎(chǔ)，研究了不同流道長度和不同構(gòu)型的流道出入口壓降分布規(guī)律，100～500 mm不同長度流道的壓降與流道長度關(guān)系如圖3所示。結(jié)果表明，隨著流道的加長，出入口壓降基本呈線性增大，在10 m/s的流速下，流道長度每增加50 mm，壓降約增加1.5 kPa。

圖3 壓降與流道長度關(guān)系

本文對長度為280 mm的直流道與其改進(jìn)流道—波浪形流道進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，圖4b中的波浪形流道對于壓降的影響相當(dāng)于流道長度增加了200 mm，即波浪形流道可以在不改變流道長度的前提下增加出入口壓降。同時(shí)，由于流道彎折引起的擾流會使流體分布更加均勻。此外，波浪形流道的彎曲程度及彎折次數(shù)均會對壓降造成影響。

圖4 直流道與波浪形流道壓降

目前，根據(jù)直流道改進(jìn)的波浪形流道設(shè)計(jì)受到很多廠家的重視。2020年12月，豐田發(fā)布的Mirai 2代雙極板及某款國外雙極板均采用平行的波浪形流道設(shè)計(jì)作為雙極板的主體流場（圖5）。主要是由于波浪形流場既兼顧了直流道易加工成型的優(yōu)點(diǎn)又能夠通過波浪起伏增加擾流，增大流體出入口壓降，氣體更容易擴(kuò)散進(jìn)入GDL，使流體分布更均勻。

圖5 雙極板樣例

此外，直流道中還存在一分二和一分多的情況，武漢理工大學(xué)研究了一分二、一分四、一分八，這3種情況下流體的分配情況（圖6），得出分流數(shù)為2時(shí)，更容易實(shí)現(xiàn)流場流量均勻分配的結(jié)論[6]。

圖6 不同分流數(shù)對應(yīng)的流速分配情況

對于直流道存在的問題，流道設(shè)計(jì)人員也提出了以下改善方法：

（1）通過減小流道尺寸，提高氣體流速[7]，使生成水更易排出，防止水淹現(xiàn)象發(fā)生；

（2）通過設(shè)置截面突變流道，增加擾流，使氣體產(chǎn)生平行于擴(kuò)散層方向的橫向擴(kuò)張與收縮，增強(qiáng)反應(yīng)氣體擴(kuò)散能力[8]；

（3）增加導(dǎo)流區(qū)，使流體流動更加均勻[9]；

（4）分流場設(shè)計(jì)，通過一分二或一分多的形式將流體從主流道分入各級分流道后再重新匯集，增大壓降，提高反應(yīng)物利用率[10]。

2.2 蛇形流道

單路蛇形流道（圖2b）是較早提出的流道形式[5]。單路蛇形流道流速分布均勻，具有快速排出液態(tài)水、不易堵塞流道的優(yōu)點(diǎn)，但由于蛇形流道長度較長，導(dǎo)致流體壓降較大，容易出現(xiàn)后段傳質(zhì)不充分、氣體分布不均勻、電流密度不均勻問題。為改善這一問題，在單路蛇形流道基礎(chǔ)上采用多路蛇形流道發(fā)展起來，如圖2c所示。多路蛇形流道可以在不改行調(diào)整，靈活性強(qiáng)。豐田Mirai第1代雙極板氫氣側(cè)流道采用的就是多路蛇形流道（圖7）。

圖7 豐田Mirai第1代雙極板氫氣側(cè)流道

但多路蛇形流道存在加工難度增大，氣體分布不均勻的問題。其原因首先是蛇形流道中各流道串聯(lián)排列，相鄰流道之間存在壓差，氣體會經(jīng)過雙極板流道脊的位置經(jīng)過GDL進(jìn)入另一條流道，產(chǎn)生氣體“短路”現(xiàn)象。另外，由于蛇形流道長度較長，氣體出入口壓降較大，存在反應(yīng)氣體傳導(dǎo)不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致電流密度分布不均勻和熱量分布的不均勻性。

本文首先對蛇形流道單拐點(diǎn)位置進(jìn)行研究，分別研究了同樣流道長度下、不同拐點(diǎn)位置對壓降的影響，結(jié)果如圖8所示，結(jié)果表明蛇形流道拐點(diǎn)位置對壓降總值幾乎無影響。

圖8 不同拐點(diǎn)位置壓降

本文研究了30～135°折彎對壓降的影響，仿真結(jié)果如圖9所示，可以看出隨著折彎角度的不斷增大，壓降逐漸減小，在3～90°之間壓降速率高于9～135°壓降速率，即銳角折彎壓降速率高于鈍角折彎。

圖9 壓降與流道折彎角度關(guān)系

對于蛇形流道的改進(jìn)，可通過流道細(xì)密化[1]、流道中部漸縮，出口漸擴(kuò)[11]、增加擾流結(jié)構(gòu)[12]、加入導(dǎo)流設(shè)計(jì)[13]進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 交指型流道

交指型流場（圖2d）的入口流道與出口流道不連通，反應(yīng)氣體需要經(jīng)過GDL才能流出電堆，通過形成脊下強(qiáng)制對流排出GDL中的水分，提高反應(yīng)產(chǎn)物的傳輸速率，大幅提高燃料電池的性能。同時(shí)，由于脊下強(qiáng)制對流導(dǎo)致氣體出入口的壓降非常大，導(dǎo)致壓損嚴(yán)重。且長期壓損過大會縮短燃料電池壽命[14]。

目前，對于交指型流道的應(yīng)用并不多，對交指型流道的改進(jìn)主要集中在對其流道尺寸及截面形狀方面的改進(jìn)。

2.4 網(wǎng)格型流道

網(wǎng)格型流道（圖2e）通常是將阻擋物規(guī)則排列在雙極板平面上，組成貫穿于流體出入口之間的通道，使流體在阻擋物之間流動，引起反應(yīng)氣體在流場中不斷地收縮擴(kuò)張，用以增強(qiáng)流體的擾動。因此，網(wǎng)格型流道能夠使反應(yīng)氣體與擴(kuò)散層充分接觸，能夠較好地與擴(kuò)散層發(fā)生換熱并將熱量帶出。同時(shí)，由于網(wǎng)格型流道反應(yīng)氣體流動區(qū)域選擇性多，導(dǎo)致反應(yīng)氣體傾向于從流阻小的通道流出，從而使得氣體分布不均勻。

對于網(wǎng)格型流場的改進(jìn)主要包括阻擋物形狀、布置方式2種，目的是提高反應(yīng)物氣體的利用率，進(jìn)而提升燃料電池的性能。上海恒勁動力便設(shè)計(jì)了一款阻擋物類似月牙形狀的網(wǎng)格型雙極板流道[15]（圖10）。

圖10 網(wǎng)格型雙極板流道[15]

2.5 仿生型流道

仿生型流道一般是仿照自然界中的一些事物，如樹的枝干分布、樹葉脈絡(luò)、人體心肺血管分布等設(shè)計(jì)而成[1]，它能夠充分發(fā)揮生物中流體分布均勻的優(yōu)勢，使反應(yīng)氣體得到充分利用。其作用原理是通過對主流道與各支流進(jìn)行合理布局，使反應(yīng)氣體分布均勻，同時(shí)反應(yīng)氣體在仿生型流道中不斷分流與合流，產(chǎn)生擾流，促進(jìn)反應(yīng)氣體吸收利用，進(jìn)一步提高燃料電池性能。但仿生型流道存在2個(gè)主要問題：

（1）由于擾流造成進(jìn)出口壓降大；

（2）由于流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致加工難度大。

綜合以上幾種類型的流道對比，可以發(fā)現(xiàn)每種類型的流道都有各自的優(yōu)勢和劣勢，各流道優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1。目前，綜合考慮成本、加工難度以及對電池性能的影響，多采用直流道與多路蛇形流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方式進(jìn)行雙極板設(shè)計(jì)，如波浪形流道等。

表1 不同流道類型優(yōu)缺點(diǎn)對比

3 雙極板流道結(jié)構(gòu)

雙極板性能除受流道形式影響外還與流道的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，雙極板結(jié)構(gòu)如圖11所示，分為進(jìn)出口區(qū)域、反應(yīng)物過渡區(qū)及反應(yīng)區(qū)3部分。其中，進(jìn)出口區(qū)域的尺寸、反應(yīng)物過渡區(qū)的構(gòu)型、反應(yīng)區(qū)流道的尺寸均會影響燃料電池的性能，以下分別概述其對燃料電池性能的影響。

圖11 雙極板結(jié)構(gòu)[16]

3.1 進(jìn)出口區(qū)域

目前，雙極板進(jìn)出口區(qū)域多位于雙極板四周（圖12），作為流體導(dǎo)通區(qū)域?qū)⒎磻?yīng)氣體和冷卻液通過雙極板流道出入口，流入/流出雙極板。進(jìn)出口的位置布置和尺寸也是影響燃料電池性能的因素之一。

圖12 豐田Mirai第1代雙極板

對于進(jìn)出口的布置，為平衡水熱管理及反應(yīng)氣體濕度，雙極板進(jìn)出口的位置（圖13），即空氣入口低濕度區(qū)位于低溫側(cè)，通過陽極末端擴(kuò)散的水分進(jìn)行增濕，而空氣出口高濕度區(qū)位于高溫側(cè)，對應(yīng)氫氣入口的低濕度區(qū)，這樣整體上有利于燃料電池內(nèi)部水含量的均勻分布。

圖13 雙極板進(jìn)出口相對位置

對于進(jìn)出口的尺寸，有研究表明需滿足進(jìn)口截面積≥流道最小截面×流道數(shù)目。而進(jìn)口與出口尺寸的相對大小多數(shù)情況下是對稱相同的，但近期發(fā)布的豐田Mirai第2代雙極板（圖5 a）采用的是陰陽極出口截面積大于入口截面積的設(shè)計(jì)，新源動力股份有限公司也提出了1種非對稱結(jié)構(gòu)的燃料電池極板[17]，同樣是陰陽極出口截面積大于進(jìn)口截面積，結(jié)果表明反應(yīng)氣體分布均勻性提高，單電池一致性也得到提升。

3.2 反應(yīng)物過渡區(qū)構(gòu)型

反應(yīng)物過渡區(qū)是反應(yīng)氣體和冷卻液進(jìn)入反應(yīng)區(qū)的過渡區(qū)域，主要起到導(dǎo)流的作用，能夠有效引導(dǎo)反應(yīng)氣體和冷卻液進(jìn)入到反應(yīng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。部分雙極板設(shè)計(jì)將過渡區(qū)與流道融合，部分將過渡區(qū)單獨(dú)配置，單獨(dú)配置的過渡區(qū)多采用網(wǎng)格/點(diǎn)陣分布流道的形式（圖14），氣體經(jīng)過渡區(qū)分配后再進(jìn)入流道。

圖14 點(diǎn)陣過渡區(qū)示意

3.3 反應(yīng)區(qū)流道尺寸

反應(yīng)區(qū)流道的尺寸是影響反應(yīng)氣體及冷卻液發(fā)揮作用的重要參數(shù)，由于建立模型和試驗(yàn)工況的差異，流道尺寸的具體值也會存在差異，但典型的流道寬度為0.5～2.5 mm，脊寬0.2～2.5 mm，流道深度為0.2～2.5 mm。

3.3.1 流道寬度

劉海超等[4]研究了分布于0.2～1 mm之間不同寬度的流道對燃料電池性能、壓降和氣體分布的影響，得出圖15所示的結(jié)論。結(jié)果表明：

圖15 不同寬度的流道對燃料電池性能、壓降和氣體分布的影響[4]

（1）減小流道寬度，有助于提升燃料電池性能；（2）流道寬度減小降低了相鄰流道之間流速的差異，提高了相鄰流道之間流動分布的均勻性；

（3）減小流道尺寸，氧濃度均值和均勻性均呈現(xiàn)非線性增大趨勢，增加氧氣轉(zhuǎn)化率。

3.3.2 脊寬

依據(jù)電極與雙極板材料的導(dǎo)電特性，流場溝槽的面積也有一個(gè)最優(yōu)值，即流道的寬度與脊寬的比值有一個(gè)最優(yōu)值。溝槽面積與雙極板總面積的比值稱為雙極板的開孔率，研究表明，雙極板開孔率應(yīng)在40%～75%之間。開孔率太高會造成電極與雙極板之間的接觸電阻過大，增加電池的歐姆極化損失。開孔率過低則會使流道區(qū)域過小，反應(yīng)區(qū)域不足。

Berning等[18]采用三維全電池模型分析了溝脊比分別為2∶3、1∶1、3∶2，這3種流道所對應(yīng)的電池的性能，分析結(jié)果如圖16所示，表明溝脊比3∶2為最優(yōu)比。其主要原因是增大脊的寬度雖然能夠提高電和熱的傳導(dǎo)性能，但脊寬過大會使各流道之間間距增大、膜電極與反應(yīng)氣體的接觸面積減小、增加了水在脊下的積累。因此，溝脊比應(yīng)大于1。

圖16 不同溝脊比摩爾氧分?jǐn)?shù)與電流密度的關(guān)系[18]

3.3.3 流道深度

陳磊等[19]研究了在其他條件保持不變的情況下，不同深度的流道對陰極氧氣濃度、沿流道方向壓降及燃料電池性能的影響。

結(jié)果表明，在0.4～1 mm范圍內(nèi)，流道深度越小，燃料電池性能越好，但過小的流道會導(dǎo)致壓損過大，綜合考慮流道深度對壓力損失、氣體的量濃度的影響，當(dāng)深度取值為0.6 mm時(shí)，電池綜合性能最優(yōu)（圖17）。

圖17 不同深度的流道對陰極氧氣濃度、沿流道方向壓降及燃料電池性能的影響[19]

對于金屬雙極板來說，還涉及沖壓條件下流道的傾角，典型的流道傾角為0～60°。

綜上所述，適當(dāng)?shù)販p小雙極板流道的寬度及深度，有利于提升燃料電池的性能。其主要原因是，在氣體流量一定的條件下，流道的深度和寬度適當(dāng)減小，會使氣體流速增加，反應(yīng)氣體進(jìn)入GDL和催化層的氣體濃度增加，增強(qiáng)了流場的排水散熱性能。但同時(shí)為避免流道的壓損及雙極板與GDL的接觸電阻過大，流道的寬度和深度不能過小。

4 展望

雙極板作為PEMFC重要組成部分，其流道的形式與結(jié)構(gòu)直接影響反應(yīng)氣體的利用率及燃料電池的性能。目前，流道多采用直流道、蛇形流道的形式，并在此基礎(chǔ)上對流道尺寸及結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。豐田Mirai第1代雙極板空氣流道采用3D流場，但Mirai第2代的雙極板空氣流場改為二維直流道的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。考慮到加工工藝、成本及流場對燃料電池性能的綜合影響，二維直流道/蛇形流道的改進(jìn)結(jié)構(gòu)將成為雙極板流道發(fā)展的主流。

隨著用戶對電堆的功率密度要求越來越高，雙極板的厚度也越來越小，在考慮雙極板性能的同時(shí)，也需要考慮雙極板的支撐強(qiáng)度，使流道起到合理的加強(qiáng)筋的作用。因此，流道逐漸向細(xì)密化展，主要是由于細(xì)密化的流道和脊減小了脊的支撐跨度，增強(qiáng)了流道對膜電極的機(jī)械支撐強(qiáng)度。