神奇的氢燃料电池液冷金属双极板流场结构
在全球化石能源供应与环境问题不断恶化的情况下，中国的科研工作者积极探索各种新能源的应用。
图1 氢燃料电池原理图
氢燃料电池由于在反应后，生成的是水，没有传统汽车碳及氮氧化物的排放，同时在制造与回收的过程中相比锂电池产生的污染小，对环境非常友好；相比锂电池电动汽车，燃料电池汽车具有加氢快，续航长的优点，加氢5分钟，续航600公里，在使用体验上媲美传统的燃油汽车，可以很好的解决困扰电动汽车用户的两大难题，里程焦虑和充电焦虑。
图2 丰田mirai氢燃料电池汽车
双极板的重要性
图3 液冷金属双极板
燃料电池主要由质子交换膜、催化剂层、空气扩散层和双极板组成。双极板作为燃料电池的核心部件，在燃料电池中，起到了膜电极结构支撑，分隔氢气和氧气，收集电子，传导热量，提供氢气和氧气通道，排出反应生成的水，提供冷却液流道等重要作用，其性能很大程度取决于流场结构。
图4 双极板流场结构
通常的双极板流场结构主要由进出口区、过渡区和反应区组成，各区域设计的是否合理，直接影响到燃料电池性能的发挥。
从燃料电池技术产生以来，人们就对流场进行了大量研究，目前常规流场有直通道、蛇形、、螺旋形、交指型和网格形等，同时也在不断开发新型流场，如仿生流场、3D 流场等。
图5 流场结构
直通道流场
图6 直通道流场
直通道流场具有较多的相互平行的流场通道，流程距离短，进出口压损小，通道并联有利于反应气体以及冷却水在通道内的均匀分布，能实现电流密度及电池温度的均匀分布。同时直流道结构简单，易加工。其缺陷是反应气体在直流道中存留时间短，气体利用率低，流速相对较低，产生的水不能及时排出，易造成堵水。
在设计直通道流场的的双极板板时，需特别关注其过渡区的流道结构，以下是不同过渡区的结构对反应区内流速的影响。
图7 直通道流场仿真
S形流场
图8 S形流场
S形流道结构会在水道中形成交叉部分，交叉部位能使相邻冷却水流道的水流混合对流，使冷却水充分混合，其传热性能优于具有相同横截面的直通道，可用于高效换热设备。非期性的 S 流场，由于 S 流场的水道交叉引起的高效换热，其优势在于可以根据电堆不同部位对换热不同的需求，可以对 S流道的周期性进行相应的改进，使电堆的温度保持均匀。
图9 本田FCX Clarity采用S形流场
图10 相比于上一代的产品具有更好的冷却均匀性
蛇形流场
图11 蛇形流场
蛇形流场有单通道和多通道之分，单蛇流道，所有气体在一根流道中流动，气体流速很大，且流道长，造成压损过大，虽有利于反应水的排除，但不利于电流密度的均匀性和催化剂的利用。且单根流道，一旦堵塞，直接会导致电池无法使用，为了避免这种情况，多采用)的多通道蛇形流道，多通道蛇形流场兼有直通道和单蛇通道的优点，即使单根流道堵塞，其他流道也会发挥作用，同时相同活性面积采用多通道有利于减少流道的转折，可有效降低压力损失，保证电池的均匀性。基本的多通道蛇形流场，流道数目不变，进出口数目相同。另外有种渐变式多通道蛇形流场。这种流场流道的进出口数目不一致，流道数目慢慢减少，它能顺利排出反应水的同时也可保证气体的流速和流量。
图12 蛇形流场仿真与双极板
交指型流场
图13 交指型流场
交指型流场的特点是流道是不连续的，气体在流动的过程中，由于通道堵死，迫使气体向周 围流道扩散，这个过程使更多的气体进入催化层进行反应，有利于提高气体利用率，提高功率密度。同时在强制对流的作用下，岸部和扩散层中的水极易排出。但同时气体经过扩散层强制扩散，会产生较大的压降，如果气流过大，强制对流可能会损伤气体扩散层，降低电池性能。 3D流场
图14 3D流场结构图
2014 年末，日本丰田推出燃料电池车“MIRAI”，同时也出现了一种新的流场板设计，即创新 型的阴极流场—三维细网格结构流场，这种流场通过疏水的三维细网格流场，使生成的反应水能够很快排出，防止滞留水对空气传输的影响。在结构设计中，没有固定的气体流动通道，流体在三维细网格结构中不断进行分流流动，使气体在扩散层中均匀分布，同时板型和扩散 层部分结构有一定的夹角。
图15 3D流场仿真图
3D流场表现出如下优点：(1) 气体的分流作用使得气体在流场上分布更为均匀；(2)气体在流动中对扩散层表面有一定的冲击作用，产生的强制对流效果使得更多的气体能进入催化层发生反应；(3)传统流场中流道间的“岸”基本消失，流场开孔率较高，催化层高活性反应面积增加；(4) 气流的绕流作用使得催化层及扩散层中的水容易排出，不易产生水淹。当然和传统流场比较，制造难度加大，气体流动阻力也有增加。
仿生流场
图16 仿树叶流场
仿树叶结构结构可以通过增加不同位置及不同数目的流道分支来增加流道的数量，从而使双极板的结构更接近于自然界中的叶脉形式，具有的优势是：能够使反应气体在电池内停留更长的时间，让反应的更充分，提高反应利用率，同时有利于电化学反应的均匀性，提高电池的性能。
图17 仿树叶流场仿真
总结
目前，在 PEMFC中，各种流场应用软件模拟和实验测试的方法都进行过大量的研究；每种流场都有其各自的优缺点。过渡区多采用点状流场，反应区以直流道和蛇形流道为主。Toyota 提出的三维流场具有较为突出的优点，是一种有代表性的创新结构。目前基于改进现有流场结构，创新研发新流场，并不断增强实用性是燃料电池流场发展的关键。
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