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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(serpentine channel)、平行流道(parallel channels)、螺旋流道(spiral channel)和网格流场(mesh flow field)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

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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

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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Greg Montie 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。

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右图是Johnson MC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

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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

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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Wang Chin-Tsan等人发表的一种新型流场[9]。这

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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Dingrong Bai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

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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

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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

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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

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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

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分形流场(fractal flow

field)[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,

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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。

Kenji Kurita等人[16]设计了一种点状、直通道以及蛇形的复

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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

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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1.14~1.4 mm范围内最佳, 而脊的宽度和流道深度分别在 0.89~1.4 mm和1.02~2.04 mm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能

通过改进流道设计增强电池内部的传质状况是提高电池性能的重要手段。

交指流道又被称为不连续流道, 是能够较大地提高电池比功率的一种流道形式。交指流道使得流体充分地流过扩散层, 电极能够得到最有效的利用。另外, 由于所有的流体都要通过狭窄的扩散层, 生成的水会被彻底带走, 特别适用于阴极流道的设计。

改变优化气体通道尺寸以及流体在阴阳极流道中的流动方式也是加强传质和水管理的一种措施。在 1998 年 Ballard 公司的专利[20]中, 强调了氧化剂、燃料和冷却剂的流道安排, 即采用燃料与氧化剂逆流排布、冷却剂和氧化剂顺流排布。这样可以避免在氧化剂入口侧膜的干燥状态和在氧化剂的出口处发生水淹现象。

热管理是与水管理相关联的,因为在某个区域积累着大量的液态水则说明该区域的温度会与其他区域存在较大差异。利用冷却板使整个双极板温度保持一致也会造成不同区域内水含量。因此合适的双极板设计应该能调节同一流场内各个区域的温度,使之达到满意的水热管理。

2.2.2防止流场内部的气体短路

气体在流场内部的短路是指大部分气体直接流入到脊下部的扩散层,而不沿着流道流动的一种现象。少量气体短路通过增加气体与电极的接触面积能在一定程度上提高电池性能。而气体被迫通过脊下的扩散层以及在扩散层内的横向流动有利排出积累在扩散层中的水,进而增加了气体进入催化层的通道。对于长的直通道流场,在维持流场内进出口压差不变的情况下,使通道内的流动阻力不一致,能形成气体短路。

气体短路影响着电池的性能,当气体流经脊部扩散层的量超过沿着流道流动的量时,会导致一部分通道短路不能利用。发生气体短路的原因是相邻流道存在较大的压差,特别是气体流速较大时更易发生。短路的结果是导致气体流速降低,使积累在流道内的液态水滴不能有效地排出,进而增加流动阻力、加重气体短路现象,这是一个恶性循环过程。

2.2.3 提高分布均匀性

提高流体流速和浓度的分布均匀性也是流道设计发展的重要趋势, 平行流道中分配流道的设计[21]是这一问题的最好体现, 研究者通过加宽分配流道, 改变流道的横截面积等手段实现流体均匀分布。

2.2.4 提高运行效率

燃料电池在产生电能的同时也会消耗一定的能量 (例如维持气体流动的泵或风扇消耗的能量), 如何减小电池辅助系统消耗的能量是一个重要的研究课题。减小压降是实现这一目标的重要手段之一, 平行流道和网格流场正是为了适应这一需要被设计出来的。

2.2.5 提高比功率

为了增加电池堆的装配密度, 降低流场板的厚度, Chew等人[22]发明了一种整体流道, 这种流道将气体流道和冷却水流道加工在同一表面上。冷却水的流道环绕在各区域蛇形流道的周围。这种设计较大地提高了电池堆的比功率。类似的设计思路还有 Ernst 和 Mittleman 的设计[23]。这种设计的最大缺点是不容易得到均匀的温度场。

2.2.6 提高稳定性

稳定性差一直是 PEMFC 面临的一个重要难题。很多电池在运行几天甚至几个小时以后, 性能会大幅度下降。流道形式是影响电池稳定性的重要因素。为了提高稳定性,研究者们提

出了尽量减少流道数目的方法, 这样做可以有效地保证流体流动速度, 易于保持各流道流

体分布和反应速率相同, 多路蛇形流道就是很好的设计实例。

2.2.7增强双极板的支撑作用

由于双极板承担着引导反应气体的流动、机械支撑、膜电极与流场之间用十导电导热的接触的作用,所以在流道设计过程中要综合考虑。在导电导热方面,理想流道应该完全与膜电极接触,这样膜电极就能得到完全支撑且电流和反应热通过整个面来传导;若考虑到电化

学反应方面,理想流道又应该是整个面都是通道,使反应气体任意地到达膜电极整个面。这两者是两个极端,都是不切实际的,前者使得参与电化学反应的气体无法达到膜电极,后者将不能传导电化学反应的相互作用,使电池性能达到最佳。最优化的流道结构应该考虑双极板与膜电极的接触面积达到最大的同时为电化学反应提供足够的反应气体。一般来说,细密化的流道和脊对膜电极的机械支撑是有利的,因为细密化的流道减小了脊支撑的跨度。虽然增大脊的宽度能提高电和热传导性能,但是它增加了通道间距、减小了膜电极与反应气体的接触面积、增加水在这部分气体扩散电极中的积累。在较窄的脊下水容易从扩散层转移到流场通道内,从而使得反应气体更容易扩散到催化层中。总的来说,细密化的流道一般都会提高电池的性能。

2.2.8改善流道的几何结构

流道几何结构对PEMFC性能的影响主要使通过影响流道内部气体流动和水管理的特性

来实现的。特征参数包括流道宽度W,流道深度H,流道倾角θ,脊宽度L。其中流道宽度W

影响着双极板流道中气体直接与扩散层接触的面积,而脊宽度L影响着双极板与扩散层的接触面积,可以通过改变流道与脊的宽度比W/L的值来改善燃料电池的性能。流道倾角θ的作用是通过改变流道截面积来增加膜电极的利用面积。在层流范围内,加深流道的深度不利于促进气体向扩散层扩散,影响气体向膜电极的传递。典型的流道倾角θ为0°~60°,流道宽为0.5~2.5mm,脊的宽度为0.2~2.5mm,流道深度为0.2~2.5mm, 而流道的长度取决于

实际情况所需的尺寸。

采用直通道结构的流场,由于气体的传输主要是靠扩散,当气体作层流运动时,气体向MEA的传递就相对比较弱,可以将流道内部形成粗糙表面产生湍流来促进消耗层气体与富积层气体的混合。但是这种产生湍流的方法会增加流场进出口压差。对于交指形结构的流场,由于其传输主要靠强制对流,扩散能力很强,但是由于流道的不连续性,导致了很大的压降,需改进结构从而降低其压降。PEMFC内气体流动由压差驱动,增加进出口压差可以更有效移出电池内部多余的液态水而改进电池性能,因为反应产物水在电池反应活性层区积累阻碍了反应气体进入催化层。但由于压差增大会消耗更多的额外功率,因此电池设计过程中必须综合考虑这两个因素。

尽量降低气体的阻力:在一定流量下,反应剂通过流场的压力降要适中且要平均。一般

压力降在千帕的数量级。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气体向扩散层、催化层的传输。由于PEMFC操作条件和环境的参数的不确定性,使得流道设计较复杂,通常所需要考虑以下几点:流道的几何结构、流场内部的气体短路、流场的支撑作用等。同时结合具体的实际情况,不同的电极结构采用不同的流道形式与之相匹配,是电池达到最佳性能[24]。

3 展望

综上所述, 流场板肩负多种功能, 对于不同的设计目的其设计策略也有所不同。适当的流道设计可以有效地保证电池的性能和运行稳定性, 并降低电池成本。但是不难看出,许多设计方案之间相互影响和制约, 提高电池一方面的性能可能会影响其另一方面的性能。因此, 流道设计是多目标优化过程, 提高电池的综合性能是研究者的最终目的。

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