雙極板的流場結構 PEMFC知識係列講座（2）

流場結構決定反應物與生成物在流場中的流動狀態,對於大麵積的PEMFC流場結構是很重要的,會直接影響電池的性能。已有的PEMFC雙極板是由極板、氣體反應區
、氣體進口、氣體出口等構成,極板的兩麵設有氣體反應區域,一麵是氫氣反應區域,另一麵是氧氣反應區域。設計合理的流場要求能夠均勻的分配電池放電所需的燃料和氧化劑,保證電流密度分布均勻,避免局部過熱,能使反應生成的水被流動的反應氣體夾帶順利排出。 常見的雙極板設計流場主要有兩類:一種是流場與雙極板為一體,如點狀、多通道蛇形流場板;另一種為流場與雙極板是分體,如網狀或多孔構成的流場板。

(1)點狀流場板　如圖1所示,點狀流場板結構簡單,但流體經過流場時易發生短路,使流體分布不均勻。

圖1　點狀流場板 1燃料或氧化劑入口；2燃料或氧化劑出口
； 3點狀流場

(2)網狀流場板　如圖2所示,網狀流場流體可以分布得較均勻,不論流體走任何途徑,流經的長度都相等,受到的阻力也相等;而且能形成湍流有利於反應氣傳質,減少濃差極化,但金屬網的防腐工藝很難,而且阻力降較高。

圖2　網狀流場板 1燃料或氧化劑入口
；2燃料或氧化劑出口

(3)蛇型流場板　蛇型流場是目前最流行的一種流場結構,這種設計使電池內部氣體和水分布較均勻,且傳質和傳熱的效果都很好,按流道的多少可以分為單通道和多通道兩種類型。圖3為多通道蛇型流場板。加拿大Ballard公司、美國通用公司等主要采用多通道蛇型流場。

圖3　多通道蛇型流場板結構 1氧化劑入口；2氧化劑出口；3燃料入口； 4燃料出口；5水入口；6水出口;7流場

(4)叉指型流場板　如圖4所示,專利CN1332891A[18]提出了一種燃料電池的叉指形流場,即在每個板上的氣體人口和出口通道不是連續的,形成叉指形。這樣設計的優點是使反應物強製對流通過燃料和氧化劑擴散層,使反應劑更接近催化劑層,加快了電化學反應速率。陰極上產生水的速率加快,並通過膜向陽極反向擴散,使陽極上水的利用率提高。

圖4　叉指型流場板

(5)肺型流場板　如圖5所示,專利CN2484648Y[19]提出了一種以氣體擴散溝槽形成分支結構的流場板設計,其寬度是變化的,而且深度隨著寬度的減小而減小。該結構與肺中的血管和空氣通道的分支結構相似。相鄰的軌跡具有相似的壓力,從而減少了氣體短路的危險。

圖5　流場板剖麵和局部平麵圖

(6)交指狀流場　如圖6所示,交指狀流場是一種正在開發的新型流場,它的優點是強迫反應氣流經電極的擴散層強化擴散層的傳質能力,同(tong)時(shi)將(jiang)擴(kuo)散(san)層(ceng)內(nei)的(de)水(shui)及(ji)時(shi)排(pai)出(chu)。但(dan)這(zhe)種(zhong)流(liu)場(chang)在(zai)確(que)保(bao)反(fan)應(ying)氣(qi)在(zai)電(dian)極(ji)各(ge)處(chu)的(de)均(jun)勻(yun)分(fen)配(pei)與(yu)控(kong)製(zhi)反(fan)應(ying)氣(qi)流(liu)經(jing)流(liu)場(chang)的(de)壓(ya)力(li)降(jiang)方(fang)麵(mian)均(jun)需(xu)深(shen)入(ru)研(yan)究(jiu)並(bing)與(yu)相(xiang)應(ying)的(de)工(gong)藝(yi)開(kai)發(fa)相(xiang)配(pei)合(he)。

圖6　交指狀流場

目前,關於雙極板流場結構的研究主要有以上幾種,其優缺點如表2所示

優點 缺點 點狀流場板 結構簡單 流體流經流場時易短路，且流體分布不均
，不利於液態水排出 網狀流流場板 流體分布較均勻，易形成湍流，利於氣體傳質，減少濃差極化 阻力較大
，金屬網的防腐工藝較難 蛇型流場板 電池內部氣體水分分布較 均勻
，傳質傳熱效果好 反應氣在電極表麵分布不均，各處氣流速度不一樣

，傳質不均 叉型流場板 電化學反應速率較高，陽極上水的利用率高 阻力較大 肺型流場板 減少了氣體短路的危險 加工流場工藝較難 交指狀流場板 擴散層傳質能力強，能及時排出擴散排出擴散層的水 反應氣體在電極各處分布不夠均勻