燃料電池雙極板機(jī)械性能設(shè)計(jì)要點(diǎn)綜述*

劉穎 趙洪輝 盛夏 潘興龍 許德超 金守一

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)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(guó)內(nèi)燃油汽車保有量不斷增加，我國(guó)石油對(duì)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(duì)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(chǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)標(biāo)國(guó)內(nèi)外雙極板結(jié)構(gòu)識(shí)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(duì)雙極板流場(chǎng)的構(gòu)型進(jìn)行研究，基礎(chǔ)的流場(chǎng)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(dòng)阻力小，流體出入口壓降損失小。但是，由于平行流場(chǎng)各流道之間壓差較小，相鄰流道之間的強(qiáng)制對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)度流道的壓降與流道長(zhǎng)度關(guān)系如圖3所示。結(jié)果表明，隨著流道的加長(zhǎng)，出入口壓降基本呈線性增大，在10 m/s的流速下，流道長(zhǎng)度每增加50 mm，壓降約增加1.5 kPa。

圖3 壓降與流道長(zhǎng)度關(guān)系

本文對(duì)長(zhǎng)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(duì)比，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，圖4b中的波浪形流道對(duì)于壓降的影響相當(dāng)于流道長(zhǎng)度增加了200 mm，即波浪形流道可以在不改變流道長(zhǎng)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(huì)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(huì)對(duì)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(guó)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(chǎng)（圖5）。主要是由于波浪形流場(chǎng)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(chǎng)流量均勻分配的結(jié)論[6]。

圖6 不同分流數(shù)對(duì)應(yīng)的流速分配情況

對(duì)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(dòng)更加均勻[9]；

（4）分流場(chǎng)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(jí)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(zhǎng)度較長(zhǎng)，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(huì)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(zhǎng)度較長(zhǎng)，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(duì)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(zhǎng)度下、不同拐點(diǎn)位置對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)（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(duì)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(duì)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(zhǎng)期壓損過大會(huì)縮短燃料電池壽命[14]。

目前，對(duì)于交指型流道的應(yīng)用并不多，對(duì)交指型流道的改進(jìn)主要集中在對(duì)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(dòng)，引起反應(yīng)氣體在流場(chǎng)中不斷地收縮擴(kuò)張，用以增強(qiáng)流體的擾動(dòng)。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(dòng)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(duì)于網(wǎng)格型流場(chǎng)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(dòng)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(shì)，使反應(yīng)氣體得到充分利用。其作用原理是通過對(duì)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(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)每種類型的流道都有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，各流道優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1。目前，綜合考慮成本、加工難度以及對(duì)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(duì)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(huì)影響燃料電池的性能，以下分別概述其對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)位置

對(duì)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(duì)大小多數(shù)情況下是對(duì)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(dòng)力股份有限公司也提出了1種非對(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(shì)，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(chǎng)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(huì)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(huì)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(duì)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(huì)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(duì)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(huì)導(dǎo)致壓損過大，綜合考慮流道深度對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)，但Mirai第2代的雙極板空氣流場(chǎng)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(chǎng)對(duì)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(duì)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(duì)膜電極的機(jī)械支撐強(qiáng)度。