PEM燃料电池双极板流道结构及设计要点之综述-燃料电池论文

PEM燃料电池双极板流道结构及设计要点之综述摘要:质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源。双极板(流场板)是质子交换膜燃料电池的重要部件,其质量占电池堆60%以上。流场板上的流道设计对电池性能、运行效率和制造成本有很大影响。系统地综述了现有的流道设计,剖析了流道的功能及其对电池性能的影响,并在此基础上讨论了流道设计的设计要点。关键词:质子交换膜燃料电池；双极板；流道设计质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源【1】。双极板是PEMFC的重要部件,其两面都有加工出的流道,起着分布反应气、收集电流、机械支撑、水热管理以及分隔阴阳两极反应气的重要作用。实际上,燃料电池堆的设计很大程度上就是双极板的设计。据文献报道,适当的流道设计能够使电池性能提高50%左右。流道结构决定反应气与生成物在流道内的流动状态,设计合理的流道可以使电极各处均能获得充足的反应气并及时排出生成的水,从而保证燃料电池具有较好的性能和稳定性。流场的设计要满足以下几个方面的条件:(1)流场设计的基本原则是保证在一定的反应剂供应量情况下，电极各处均能获得充足的反应剂。特别是对十大面积的电极尤为重要，电极工作面积放大过程中流场设计不合理往往是造成电池性能下降的主要原因之一。(2)依据电极与双极板材料的导电特性，流场沟槽的面积应有一个最优值。沟槽面积和电极总面积之比一般称为双极板的开孔率，其值应在40%～75%之间。开孔率太高会造成电极与双极板之间的接触电阻过大，增加电池的欧姆极化损失。(3)由流场结构所决定的反应剂在流场内的流动状态，应有利于反应剂经电极扩散层向催化层反应点的传递，并能促进反应产物的顺利排出。(4)在一定的流量下，反应剂通过流场的压力降要适中，一般为千帕的数量级。压力降太大会造成过高的动力损失，压力降太小则不利于反应剂在并联的多个单节电池间的分配。与双极板同时发展的是电池流场结构的不断改进，二者的发展是密不可分的。下面简要的介绍流场的发展:1基本流道设计自20世纪80年代以来,研究者们就展开了对流道形式的研究,其中较早提出的几种流道形式有蛇形流道(serpentinechannel)、平行流道(parallelchannels)、螺旋流道(spiralchannel)和网格流场(meshflowfield)等。这几种形式流道的各自特点及其应用条件分述于以下各节。1.直通道流场及基于此流场的改进流场1.1平行流道平行流道的流道数目多,且流道以并联的形式存在，因此平行流道具有流动阻力小的优点,这在一定程度上能够降低压力损失,提高电池的整体效率，特别适合做较大活性面积的低压电池流场。平行流道的设计有很多种,其中Pollegri【2】和Spaziante【3】设计的流道被通用电器公司所采用。在电池持续工作的过程中,由于流道数目多,气流流速一般不大,容易造成部分电极水淹的情况。而且,各流道中气体的流动和反应情况的细微差别会对电池的整体性能造成扰动,容易出现电池性能不稳定的情况。变截面直通道流场是直通道流场的一种改进流场。由于流道截面的变化气体沿流道的速度和浓度都会发生变化，从而反应气体的可用性得到提高。另外，也便于排出扩散层内的氮气和生成的水，右图是GregMontie等人2008年发表的改进的燃料电池阴极流场[4]该流场总体成梯形布置岸宽从进口到出口保持相对均匀的宽度槽宽则以保持沿流道方向各处氧的可用性基本恒定而需要的流通面积确定其宽度值。此流场的设计在一定程度上缓解了阴极反应气体氧气随着流道浓度下降的趋势增加了氧气的可用性，然而该流场的脊岸同MEA接触面积较大。右图是JohnsonMC等人发表的一种变截面流场[5]，也有叫做波浪形流场。流道宽度交替变化，但流道深度保持不变。图b是对该流场的一种改进，沿流道方向流道的深度交替变化。图中阴影线区域深度较深，气体在流动过程中通过速度和压力产生波动，呈紊态流动，从而有利于气体内部的扰动，加速向多孔介质中的传质，但是变截面流场给加工带来很大的难度，增加了加工成本。1.2蛇形流场以及基于蛇形流场的改进流场蛇形流道[6]是较早提出的一种流道形式,它的突出优点是能迅速排除生成的液体水,不易出现堵塞流道的情况。但是对于面积比较大的流场板,蛇形流道会因流道过长造成反应气压降过大、在流道后段反应气供应不足和容易发生水淹的影响。多路蛇形流道[7]，具有很大的灵活性,在不改变流场板面积和形状的条件下,其流道数目和长度以及流道尺寸都可以调整,能够设计出适合不同需要的各种形式。例如Ballard公司生产的电池堆就采用这种形式的流道[8]。在蛇形和多路蛇形流道的设计中,流道串连排列,相邻流道之间存在压差,后面的流道压强低于前面的流道,所以会产生气体“短路”流向相邻流道的现象,这使得流场板的某些区域得不到充分的反应气,造成气体滞流和排水不畅的情况发生,降低电池性能。左图是WangChin-Tsan等人发表的一种新型流场[9]。这种流场板使用于阴极采用1个进口2个出口形式的流道结构。反应气体进入流道后，一分为二，经过一次小循环后再次汇聚，然后再次一分为二，气体在每次小循环后重新汇聚。最后由两个出口排出经过模拟分析电流密度的均匀性相比于单通道蛇形流场和直通道流场要好很多。渐变式蛇形流场结构在蛇形流场中应用比较普遍。在燃料电池流场板中，反应气体进口处的流道数目与气体出口处的流道数目相比或增或减，它除了具有蛇形流场的优点外，对蛇形流场固有的缺点进行了改进。文献[10]是加拿大DingrongBai等人发表的改进形渐变式蛇形流场结构。1.3交指型流场结构及基于此流场的改进流场交指型流场如右图所示，由于交指型流场流道不连续，气体被强制通到扩散层，这样就有更多的气体进入到催化层参加反应，从而致使气体利用率高，能够在很大的程度上提高功率密度，使电极得到最有效的利用。来新民等人发表了改进型的交指型流场[11]。这种流场设计的特点是进气流道底部被封死，但进气流道的脊岸处均匀开了一定数量的小开口，使其和排气流道相通。气体从进口进入进气流道后，部分通过扩散层强制扩散到排气流道，部分通过小开口直接进入排气流道，这样既保持原交指型流场的优势，又降低了气体压力损失。在此基础上采用进气渐扩/出口渐缩的结构使产生的水更容易排出。交指型流场虽然在气体利用率，提高功率密度方面有很大的优势，但这种结构对气体的进气压力要求比较高。1.4其他新型流场1.4.1螺旋流道如右图所示，螺旋流道与蛇形流道很相似,同样具有很强的排水功能。螺旋流道靠近进口和靠近出口的流道交错安排,使得反应气与水浓度在整个流道上分布更加平均,这是蛇形流道不具备的优点。但是这种流道存在压降较大,流动易发生短路,另外加工较为复杂,所以设计中采用不多。1.4.2网格流场网格流场是放弃流道的一种做法,通常是将阻挡物规则地排列在流体进出口之间,使流体在阻挡物间的孔隙中绕流。不论流体走任何路径，其所经过的路径长度是相等的，因此是等阻力的，这样流体可以分布得较均匀，而且能形成湍流，有利于反应气传质，从而能减少浓差极化，流道中的流体流速比较低,所以排水能力比较差,但是保湿能力相对较强。但金属网的防腐工艺很难，阻力降较高，流体流动均匀性一般不够理想,流体在进出口连线区域的流动快,而在角落上可能有滞流,出现浓差极化或水淹等问题。网状流场在气体分配的均匀性方面比较适宜但对丝网和装夹的要求比较高要保证电池各处受力均匀丝网又不能压入电极材料中另外在排水性能上不是很理想。1.4.3仿生型流场右图是对人类肺部仿生的一种流场形式[12]。这种新型的设计除应用了仿生学外还结合了蛇形和交指型流道的特点，通过模拟分析，反应气体在流道中的流速相比于蛇形和交指型流场要小一些，气体在整个流道中的压降很小，气体向GDL中扩散更加均匀，很大程度上提高了峰值功率密度。Tuber等人提出了分形流场(fractalflowfield)[13]，流场形式如左图，这种流场在提高流体分布均匀形的同时试图最大程度的降低能耗。在设计中采用仿生学原理，基于最新发展的计算机“FracTherm”算法，这种算法的几何原则是:沟槽要放置在活化区域的中间位置，这样使得从左边界到右边界的每个相邻的流道大致相等;一旦当流道与流道间的距离超过给定的最大宽度时，流道就分支开，分支开后的流道尺寸要低于设定值。使得流体在“光滑”的管路中流动，从而降低流体的压降。同时，通过计算机优化使得各个支路的流体分布均匀，其中计算机优化算法是关键问题。尽管流道形式多种多样,反应气体沿流道流动并逐渐因为反应消耗则是各种流道共有的现象和特征。由此看来,过长的流道设计会导致气体浓度梯度过大,流道后段难以得到充分的反应气,降低电池性能。为此,研究者们将流道分成若干区域,在各区域均采用蛇形流道,这有效地控制了流道长度,在保证各区域流量相同的情况下,可以得到较均匀的反应气浓度和电流密度分布。武汉理工大学陈涛等人发明的树状结构流场也采用了仿生学原理[14]，流场结构如图所示。钟加轮等人设计了一种新型的流道结构[15]。这种结构的特点是逐渐减小流体流道的横截面面积，从而使气体在流道中的流速沿气体入口向出口的方向逐渐提高，从而使在流道中的反应气体向催化层的扩散得到加强，由此弥补了反应气体浓度随流动降低的缺点。KenjiKurita等人[16]设计了一种点状、直通道以及蛇形的复合型结构，如右图，双极板上气体通道分为二个部分:进口侧通道部分，出口侧气体通道部分和中间通道部分。其中进出口侧以及蛇型拐角部分都是点状流场结构，中间部分采用直通道流场。其设计思想为:点状流场截面积较大，气体流动阻力较小，在进口与出口处都采用点状流场有利十气体进出，进口侧流场中气体与电极接触面积增加，气体可以在短时间内与电极催化剂接触，出口侧气体内带有的水较多，点状流场截面积大，有利于水的导出。蛇型拐角部分采用点状使气流得到再分配，防止流道间串气。左图是一种蚊香型流场分布结构的双极板，包括双极板本体1，双极板1设有燃料及氧化剂气体进口3和尾气出口4，双极板本体1呈圆柱体，圆柱体的表面设有环形流道，环形流道包括从圆心到外圈设置的多层相互隔离的环形流道单元2，燃料及氧化剂气体进口3与各个环形流道单元2的进口连通，各个环形流道单元2的出口与尾气出口4连通，燃料及氧化剂气体进口3和尾气出口4呈径向设置。该专利设计在外型上，突破传统的模式，采用圆柱体代替长方体，使得燃料电池中反应区的面积增大，提高反应气体的利用率。采用同心圆所构成的环形流道结构，各个流道的尺寸由外而内逐渐缩小，正符合反应气体的浓度从入口往圆心逐渐递减的规律，反应更加均匀，提高了电池输出性能的稳定性[17]。2.设计要点2.1流道尺寸除了流道形式以外,流道尺寸对电池性能也有很大的影响。流道尺寸主要包含流道的长度、宽度、深度,脊的宽度,流道和脊的截面形状等。经过很多实验和模拟研究,许多研究者认为流道的长度对电池性能有较大影响。这些影响主要表现在:越长的流道引起的压力损失越大,后段反应气浓度越低,易积累发生水淹现象,从而降低电池性能和稳定性。有关流道深度对电池性能影响的文献不多,但是许多设计者认为较浅的流道能够得到较大的流速以防止水淹,从而得到较好的电池性能。流道宽度和脊的宽度对电池性能的影响研究较多。例如Watkins[18]研究了蛇形流道尺寸的最优化问题,他提出流道的宽度在1.14～1.4mm范围内最佳,而脊的宽度和流道深度分别在0.89～1.4mm和1.02～2.04mm为最佳。对常规流道和交指流道分别进行了研究,计算得到了电流密度分布和电池极化曲线。模拟研究结果认为,较小的脊宽度和较大的流道宽度能够促进反应气传质,从而提高电池性能,一些实验结果也支持上述结论[19]。2.2流道设计的改进为了提高电池性能和运行效率,近年来很多研究机构和公司在基本流场形式的基础上提出了很多改进设计和新型流场,从不同的方面改进了流场板的性能。2.2.1提高传质和水热管理性