神奇的氫燃料電池液冷金屬雙極板流場結構

在全球化石能源供應與環境問題不斷惡化的情況下，中國的科研工作者積極探索各種新能源的應用。氫燃料電池就是目前較為優質的新能源解決方案。

一方面氫燃料電池在反應后生成的是水，沒有傳統汽車碳及氮氧化物的排放，并且在制造與回收的過程中相比鋰電池產生的污染小，對環境非常友好。

同時，相比鋰電池電動汽車，燃料電池汽車具有加氫快，續航長等優點。理論上完全可以實現加氫5分鐘，續航600公里，在使用體驗上媲美傳統的燃油汽車。完美解決新能源汽車的里程焦慮和充電焦慮問題。

燃料電池主要由質子交換膜、催化劑層、空氣擴散層和雙極板組成。雙極板作為燃料電池的核心部件，在燃料電池中，起到了膜電極結構支撐、分隔氫氣和氧氣、收集電子、傳導熱量、提供氫氣和氧氣通道、排出反應生成的水、提供冷卻液流道等諸多重要作用，其性能很大程度取決于流場結構。

通常的雙極板流場結構主要由進出口區、過渡區和反應區組成，各區域設計是否合理，直接影響到燃料電池性能的發揮。

自燃料電池技術產生以來，人們就對流場進行了大量研究，目前常規流場有直通道、蛇形、螺旋形、交指型和網格形等，同時相關研究人員也在不斷開發新型流場，如仿生流場、3D 流場。

直流道結構簡單，易加工。直通道流場具有較多的相互平行的流場通道，流程距離短，進出口壓損小，通道并聯有利于反應氣體以及冷卻水在通道內的均勻分布，能實現電流密度及電池溫度的均勻分布。

其缺陷是反應氣體在直流道中存留時間短，氣體利用率低，流速相對較低，產生的水不能及時排出，易造成堵水。

S形流道結構會在水道中形成交叉部分，交叉部位能使相鄰冷卻水流道的水流混合對流，使冷卻水充分混合，其傳熱性能優于具有相同橫截面的直通道，可用于高效換熱設備。

非周期性的S 流場，由于S 流場的水道交叉引起的高效換熱。并且這種設計可以根據電堆不同部位對換熱不同的需求，對S流道的周期性進行相應的改進，使電堆的溫度保持均勻。

蛇形流場有單通道和多通道之分，單蛇流道，所有氣體在一根流道中流動，氣體流速很大，且流道長，造成壓損過大，雖有利于反應水的排除，但不利于電流密度的均勻性和催化劑的利用。且單根流道，一旦堵塞，直接會導致電池無法使用。

針對單通道蛇形流場的缺陷，多通道蛇形流場兼有直通道和單蛇通道的優點，即使單根流道堵塞，其他流道也會發揮作用，同時相同活性面積采用多通道有利于減少流道的轉折，可有效降低壓力損失，保證電池的均勻性。

基本的多通道蛇形流場，流道數目不變，進出口數目相同。另外還有一種漸變式多通道蛇形流場，該種流場流道的進出口數目不一致，流道數目慢慢減少，它能順利排出反應水的同時也可保證氣體的流速和流量。

交指型流場的特點是流道是不連續的，氣體在流動的過程中，由于通道堵死，迫使氣體向周圍流道擴散，這個過程使更多的氣體進入催化層進行反應，有利于提高氣體利用率，提高功率密度。

交指型流場使得氣體在強制對流的作用下，岸部和擴散層中的水極易排出。但同時氣體經過擴散層強制擴散，會產生較大的壓降，如果氣流過大，強制對流可能會損傷氣體擴散層，降低電池性能。

2014 年末，日本豐田推出燃料電池車“MIRAI”，在這一車型上出現了一種新的流場板設計，即創新型的陰極流場—三維細網格結構流場。

這種流場通過疏水的三維細網格流場，使生成的反應水能夠很快排出，防止滯留水對空氣傳輸的影響。在該結構設計中，沒有固定的氣體流動通道，流體在三維細網格結構中不斷進行分流流動，使氣體在擴散層中均勻分布，同時板型和擴散層部分結構有一定的夾角。

諸多條件下，3D流場表現出如下優點：

(1) 氣體的分流作用使得氣體在流場上分布更為均勻；

(2)氣體在流動中對擴散層表面有一定的沖擊作用，產生的強制對流效果使得更多的氣體能進入催化層發生反應；

(3)傳統流場中流道間的“岸”基本消失，流場開孔率較高，催化層高活性反應面積增加；

(4) 氣流的繞流作用使得催化層及擴散層中的水容易排出，不易產生水淹。當然和傳統流場比較，制造難度加大，氣體流動阻力也有增加。

仿樹葉結構結構可以通過增加不同位置及不同數目的流道分支來增加流道的數量，從而使雙極板的結構更接近于自然界中的葉脈形式，具有能夠使反應氣體在電池內停留更長的時間，讓反應的更充分，提高反應利用率，同時有利于電化學反應的均勻性，提高電池的性能等優勢。

目前，在PEMFC中，各種流場應用軟件模擬和實驗測試的方法都進行過大量的研究，當然每種流場也都有其各自的優缺點。

一般而言過渡區多采用點狀流場，反應區以直流道和蛇形流道為主。Toyota 提出的三維流場具有較為突出的優點，是一種有代表性的創新結構。目前基于改進現有流場結構，創新研發新流場，并不斷增強實用性是燃料電池流場發展的關鍵。