双极板的流场结构 PEMFC知识系列讲座（2）

流场结构决定反应物与生成物在流场中的流动状态,对于大面积的PEMFC流场结构是很重要的,会直接影响电池的性能。已有的PEMFC双极板是由极板、气体反应区、气体进口、气体出口等构成,极板的两面设有气体反应区域,一面是氢气反应区域,另一面是氧气反应区域。设计合理的流场要求能够均匀的分配电池放电所需的燃料和氧化剂,保证电流密度分布均匀,避免局部过热,能使反应生成的水被流动的反应气体夹带顺利排出。 常见的双极板设计流场主要有两类:一种是流场与双极板为一体,如点状、多通道蛇形流场板;另一种为流场与双极板是分体,如网状或多孔构成的流场板。

(1)点状流场板　如图1所示,点状流场板结构简单,但流体经过流场时易发生短路,使流体分布不均匀。

图1　点状流场板 1燃料或氧化剂入口；2燃料或氧化剂出口； 3点状流场

(2)网状流场板　如图2所示,网状流场流体可以分布得较均匀,不论流体走任何途径,流经的长度都相等,受到的阻力也相等;而且能形成湍流有利于反应气传质,减少浓差极化,但金属网的防腐工艺很难,而且阻力降较高。

图2　网状流场板 1燃料或氧化剂入口；2燃料或氧化剂出口

(3)蛇型流场板　蛇型流场是目前最流行的一种流场结构,这种设计使电池内部气体和水分布较均匀,且传质和传热的效果都很好,按流道的多少可以分为单通道和多通道两种类型。图3为多通道蛇型流场板。加拿大Ballard公司、美国通用公司等主要采用多通道蛇型流场。

图3　多通道蛇型流场板结构 1氧化剂入口；2氧化剂出口；3燃料入口； 4燃料出口；5水入口；6水出口;7流场

(4)叉指型流场板　如图4所示,专利CN1332891A[18]提出了一种燃料电池的叉指形流场,即在每个板上的气体人口和出口通道不是连续的,形成叉指形。这样设计的优点是使反应物强制对流通过燃料和氧化剂扩散层,使反应剂更接近催化剂层,加快了电化学反应速率。阴极上产生水的速率加快,并通过膜向阳极反向扩散,使阳极上水的利用率提高。

图4　叉指型流场板

(5)肺型流场板　如图5所示,专利CN2484648Y[19]提出了一种以气体扩散沟槽形成分支结构的流场板设计,其宽度是变化的,而且深度随着宽度的减小而减小。该结构与肺中的血管和空气通道的分支结构相似。相邻的轨迹具有相似的压力,从而减少了气体短路的危险。

图5　流场板剖面和局部平面图

(6)交指状流场　如图6所示,交指状流场是一种正在开发的新型流场,它的优点是强迫反应气流经电极的扩散层强化扩散层的传质能力,同时将扩散层内的水及时排出。但这种流场在确保反应气在电极各处的均匀分配与控制反应气流经流场的压力降方面均需深入研究并与相应的工艺开发相配合。

图6　交指状流场

目前,关于双极板流场结构的研究主要有以上几种,其优缺点如表2所示

优点 缺点 点状流场板 结构简单 流体流经流场时易短路，且流体分布不均，不利于液态水排出 网状流流场板 流体分布较均匀，易形成湍流，利于气体传质，减少浓差极化 阻力较大，金属网的防腐工艺较难 蛇型流场板 电池内部气体水分分布较 均匀，传质传热效果好 反应气在电极表面分布不均，各处气流速度不一样，传质不均 叉型流场板 电化学反应速率较高，阳极上水的利用率高 阻力较大 肺型流场板 减少了气体短路的危险 加工流场工艺较难 交指状流场板 扩散层传质能力强，能及时排出扩散排出扩散层的水 反应气体在电极各处分布不够均匀