PEMFC 流道結構研究現狀及發展趨勢

梁鳳麗，聞冉冉，毛軍逵，賀振宗，王任廷

（南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016）

近年來，具有噪音低、耐久性高和可操作性強等優點的小型無人機（Unmanned aerial vehicles，UAVs）已經廣泛應用于各個領域以滿足民用需求和軍事目的，例如快遞服務、災區救援和軍事偵察。無人機設備影響任務能力的最重要因素就是動力源，動力源應具有高的功率和能量密度。功率密度對最大速度、負載能力、飛行高度和爬升速度具有決定性影響，而能量密度會影響所覆蓋的飛行范圍［1］。常規內燃機作為目前無人機動力的主要來源，盡管可以通過燃燒化石燃料產生動力，但是效率低下且噪音大，在此過程中產生的廢氣排放也會引起嚴重的環境問題。采用鋰電池的電推進方案中，由于鋰電池組重量大、能量密度低，限制了小型無人機的任務能力，而太陽能電池受天氣條件影響大。相較于鋰電池和太陽能電池，燃料電池具有兼顧高能量密度和高功率密度的優點。此外，燃料電池無人機低噪聲、無污染和長航時等特性使其應用領域廣泛，并且它有較低的熱紅外特性，不易被發現，非常適合長時間偵察任務［2］，有望作為下一代小型無人機而引起了極大的關注［3］。

相比于直接甲醇燃料電池［4］，固體氧化物燃料電池［5］等其他常見燃料電池，質子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）具有許多優勢，它的反應溫度適合無人機的工作環境，并且有較高的能量密度、功率密度以及短啟動時間。此外，它的副產物僅是水和熱［6］，也十分環保，因此是目前最適合小型無人機的燃料電池類型。研究人員對燃料電池無人機的設計和試飛進行了大量研究工作，2009 年，美國海軍實驗室研發的“Ion Tiger”型燃料電池無人機已經在載有2.3 kg 有 效 載 荷 條 件 下 完 成26 h 的 飛 行 任 務［7］，2013 年的改進版本更是實現了48 h 以上的飛行時間［8］。2010 年，韓國航空航天研究所將Horizon 燃料電池技術公司的AeroPak 動力系統集成到一架2.4 m 翼 展6.5 kg 的EAV?1 無 人 機 中，并 實 現 了4.5 h 的續航能力［9］。2017 年，Lape??Rey 等［10］設計并制造了用于低空監視任務的燃料電池無人機，驗證了該型飛機可以應用于海拔5 000 m 以上高空的低溫低壓條件。

質子交換膜燃料電池主要由質子交換膜、催化層、擴散層、雙極板和流道組成，其中質子交換膜，陰/陽極催化層和氣體擴散層合稱為膜電極組件（Membrane electrode assemblies，MEAs）。PEM?FC 系統的工作原理為：氫氣和氧氣（或空氣）分別被陽/陰極流道送進燃料電池，再經過氣體擴散層（Gas diffusion layer，GDL）到達催化層（Catalyst layer，CL）發生電化學反應。在陽極催化劑的作用下，1 個氫分子被氧化成為2 個質子，并釋放出2 個電子，該電極反應產生的電子經外電路到達陰極，質子經電解質膜到達陰極，在陰極催化劑的作用下，氧氣、質子及電子發生反應生成水和熱，生成的水隨反應尾氣排出。其中，質子交換膜燃料電池的化學反應可以描述為：陽極反應：H2→2H++2e；陰極反應：1 2 O2+2H++2e →H2O+熱；電池總反應：H2+ 1 2 O2→H2O+電力+熱，工作原理如圖1 所示［11］。在PEMFC 中，限制性能的主要因素是發生在陰極的較緩慢的反應輸運過程［12］。首先，受到反應動力學的限制，陰極發生的氧氣還原反應的速率遠遠低于陽極發生的氫氣氧化反應，前者通常是后者的百萬分之一，因而陰極的反應速率限制了整個電池的工作效率［13］。陰極傳質效果不佳，也是性能損失的重要原因，氣體擴散層和催化層中的氧氣傳質效果不佳使得電壓損失增加了一倍［14］。

雙極板（Bipolar plate，BP）是PEMFC 的關鍵組件之一，其在PEMFC 中的位置見圖2［15］，單電池串聯組成電堆，每個電池單元由雙極板和膜電極組成。一般經機械加工在板表面形成一片區域的溝槽，被稱為流道，通過它均勻分配反應氣體，確保電池催化層各處獲得充足且均勻的反應氣體供給；同時，排出未參加反應的氣體和生成的副產物——水［16］。電堆性能的直接體現是電堆的功率密度和工作效率，而反應氣的分布均勻性、傳質性能以及運行穩定性決定著最終性能。盡管電堆的性能與電極動力學以及流體動力學有更直接的關系，但它們本質上與BP 流道幾何結構密切相關。流道結構形式構成了雙極板最重要的特征，決定反應氣體與生成物在流場內的流動狀態，直接影響電堆的性能，此外，它們為電堆提供了必要的機械支撐，保持彼此隔離的不同反應物通過氣體擴散層分布在MEA 的催化層表面上，并有助于管理電池內部產生的水和熱量。因此，流道結構的設計至關重要。

圖2 PEMFC 結構圖[15]Fig.2 Structure diagram of PEMFC[15]

氣?水?熱綜合管理是PEMFC 高效，穩定運行的關鍵問題，流道結構深刻影響著PEMFC 的氣水輸運和熱傳遞。流道結構不佳的雙極板會導致流場中反應氣體的不均勻分配，從擴散層到達催化層的反應氣體分布不均勻，造成電解質表面各處電化學反應強度大小不一，進而導致反應生成水和熱量產生較大差異，電流密度均勻性變差，影響電池性能，嚴重時更可能會造成水淹（氣體擴散層內孔隙體積大部分被液態水占據）以及電解質產生局部熱點等問題。水淹會對大部分活性區域的氣體輸運產生負反饋，進一步造成燃料電池性能下降［17］。除了影響反應物運輸，水淹還會對燃料電池造成不可逆損傷而導致安全問題，比如：電池在0 ℃以下工作時，積累的液態水形成冰可能會刺穿膜，陰陽極反應物直接接觸可能會導致催化燃燒的嚴重后果［18］。除水氣管理問題外，局部熱點也是進行PEMFC 流道結構設計必須要考慮的因素，否則可能會造成膜的濕熱變形和蠕變、鉑溶解以及雙極板腐蝕［19］。質子交換膜燃料電池的商業化受到諸如上述技術問題的阻礙，為了達到預期的PEMFC 性能，必須將反應物均勻分布并有效擴散到發生電化學反應的催化層中，流道結構設計和優化是減輕這些問題的一種重要方法，合理的流道結構設計可以保證燃料電池具有較好的性能和穩定性。研究表明良好且有效的雙極板流道結構能夠使整體燃料電池性能提高近50%［20］。

本文歸納了不同類型（平行流道、蛇形流道、插指型流道、新型流道等）流道結構對PEMFC 性能影響的研究進展，主要從流道橫截面形狀、長度、數量、寬度和擋板位置等方面闡述了基于常規流道結構特征下改進措施的研究現狀，重點剖析了目前PEMFC 流道結構設計中面臨的挑戰，展望了未來高效流道結構設計的發展方向。

1 常規流道類型

PEMFC 流道類型包括常規流道和新型流道，常規流道包括平行流道、蛇形流道、插指型流道等［21?23］（圖3），針對常規流道的研究相對較多并且已經應用于PEMFC 商用產品中［24］。

圖3 3 種常規流道實物圖及其示意圖[21?23]Fig.3 Physical drawings and schematic diagrams of three conventional channels[21?23]

多年來，學者們已經詳細研究了這幾種常規流道結構，并在給定的燃料電池單電池或電堆的操作條件下，獲得了不同流道結構的性能特性。一般來說，每種流道結構都有其優缺點，這取決于燃料電池在設計中的應用。常規流道結構下的流場特征是PEMFC 內反應氣體的基本流動形式，在此基礎上，許多學者針對常規流道結構也進行了大量結構改進工作，旨在充分利用其優勢的條件下規避其固有缺陷從而更加高效地提高電堆性能和運行穩定性。

1.1 平行流道

平行流道（圖4（a））是最簡單也是最常見的一種流道結構，通過對分流入口和匯流出口進行不同的配置又形成了Z 形平行流道（圖4（b））、U 形平行流道（圖4（c））等。它們一般都由多個平行直通道組成，所有通道以并聯的形式存在。

圖4 3 種平行流道示意圖Fig.4 Schematic diagram of three parallel flow channels

在對PEMFC 流道結構對性能的影響的研究中，當確定分析某一具體常規流道類型之后，該流道自身的結構幾何參數就成了影響PEMFC 性能的最核心的問題之一。流道結構深刻地影響著PEMFC 內部的水氣運輸，針對流道的結構幾何參數對性能的影響規律進行研究是流道結構研究中的重要方向之一。考慮到平行流道PEM?FC 燃料利用率較低、水去除能力低而帶來的性能下降的問題，目前學者們主要通過研究不同流道截面和在氣流方向增加擋板等措施來進行改進工作。

1.1.1 橫截面形狀

流動通道的橫截面通常為矩形，其他形狀也有一定研究，例如梯形，三角形和半圓形等，流道的橫截面形狀顯著影響燃料電池性能和除水效率，但最合 適 的 形 狀 尚 未 達 成 共 識［25］。Kumar 和Reddy［26］數值分析了流道形狀對陽極氫氣消耗的影響。結果表明，三角形和半圓形的橫截面導致陽極處的氫氣消耗增加了約9%，從而提高了燃料電池的工作效率。Ahmed 等［27］研究了在高電流密度下的單直通道上3 種不同的通道橫截面（圖5）對PEMFC 性能的影響，與梯形和平行四邊形的通道橫截面相比，矩形的通道橫截面PEMFC 具有更高的電池電壓。但是，梯形通道橫截面促進了反應物的擴散，反應區域上反應物和局部電流密度的分布更加均勻，提升了性能。

圖5 不同流道橫截面示意圖[27]Fig.5 Cross section diagram of different channels[27]

除分析流道反應物傳質效果，Wang 等［28］使用矩形通道作為對照，進一步研究具有三角形、梯形和半圓形橫截面通道電池的局部傳輸特性和性能，極化曲線和功率密度曲線如圖6 所示。在高工作電壓下，具有各種溝道形狀的電池具有相似的性能。但是，在低工作電壓下，燃料電池的性能將遵循：三角形＞半圓形＞梯形＞矩形通道。對電池中局部輸運現象的分析表明，三角形、梯形和半圓形通道設計顯著提高了反應物的流速，從而提高了液體水的去除和氧氣的利用。因此，與矩形通道設計相比，其他3 種通道截面設計增加了極限電流密度并改善了電池性能。另外，從研究中可以看出流道截面在不同工作條件下對性能的影響效果會有差異。

圖6 具有不同陰極流動通道截面形狀PEMFC 的極化曲線和功率密度曲線[28]Fig.6 Polarization curves and power density curves of PEMFC with different cathode flow channel cross section shapes[28]

為進一步研究流道截面對PEMFC 性能的影響，學者基于上述基本流道截面形狀的特性開展了組合流道橫截面的研究。Mohammedi 等［29］研究了30 種陽極和陰極都具有相同面積的流道橫截面形狀的PEMFC 的性能差異，其中包括5 種基本形狀（矩形、梯形、倒梯形、橢圓形和倒橢圓形）和25 種以基本形狀為底座的橫截面形狀（圖7）。仿真結果表明：在低電流密度下，流道橫截面形狀對功率密度（電池性能）的影響很小；但是在高電流密度下，橫截面形狀會對PEMFC 性能產生重要影響。所有具有梯形和半橢圓形作為底座的橫截面形狀都比矩形橫截面形狀PEMFC 具有更高的功率密度。相反，具有倒梯形和倒半橢圓形底座的橫截面形狀比具有矩形的橫截面形狀具有更差的電池性能。Trp?Itrp 流道形狀有著所有研究截面中（包括之前認為是最佳截面的三角形截面形狀）最高的功率密度，但是也導致了最大的壓降，加大了輔助系統的耗功，從而降低了整體系統性能。

圖7 30 種不同流道橫截面形狀[29]Fig.7 Thirty different channel cross-section shapes[29]

上述研究都是定性地研究截面類型對性能的影響，無法獲得性能輸出與截面幾何參數的定量關系。為了確定高性能輸出下的最優截面參數，Zeng 等［30］以PEMFC 的 凈 輸 出 功 率 為 目 標 函 數，選擇陽極和陰極側的通道底部和頂部邊緣的寬度作為變量，使用遺傳算法獲得了通道截面的最優設計。獲得的最佳設計是梯形通道，在0.4 V 的工作電壓下，與矩形通道相比，電流密度增加了10.92%。而且，與矩形通道相比，梯形通道PEM?FC 顯示出更均勻的反應物分布和電流密度。

考慮到水積累對PEMFC 的性能的重要影響，一些學者應用實驗或數值模擬的方法研究了流道形狀對PEMFC 陰極除水效率的影響。Owejan等［31］用中子成像技術通過實驗觀測了PEMFC 的GDL 和流動通道中的液態水積累。他們發現，與具有相同橫截面積的矩形通道相比，具有三角形幾何形狀的通道積累的水更少。Zhu 等［32］開展了具有不同橫截面的通道中水滴動力學的數值研究，結果表明通道水的去除時間分別為：三角形＜梯形＜矩 形。Lorenzini?Gutierrez 等［33］進 行 了VOF（Vol?ume of fluid）模擬，進一步研究通道壁的潤濕性和橫截面形狀對直通道PEMFC 的液態水去除的影響。他們得出結論：與矩形截面形狀相比，開角為50°和60°的梯形截面具有更好的除水性能。

上述針對流道橫截面的研究在流動方向上橫截面都是恒定不變的，是對平行流道“恒截面通道”結構的研究，沒有考慮流動方向上橫截面積改變對性能的影響。Fontana 等［34］數值研究了不同通道角度的錐形流動通道（0°，0.5°和0.75°）對PEMFC性能的影響。結果表明：隨著傾角的增加，觀察到更均勻的氧分布。隨著通道面積的減少，氧氣被迫擴散到催化劑層中，從而增強了電池性能。Man?cusi 等［35］隨后繼續用VOF 方法對PEMFC 錐形通道中的氣水兩相流進行了數值模擬，結構如圖8 所示。結果表明，由于氣流速度的增加，向下游逐漸減小的通道可以提高除水能力。

圖8 錐形通道燃料電池模型示意圖[35]Fig.8 Schematic diagram of conical channel fuel cell model[35]

即便橫截面保持不變，不同的平行流道橫截面布置方式可能也會對性能產生重要的影響。Atya?bi 等［36］使用有限體積方法對平行正弦流道進行了數值模擬，并與直平行流道進行了比較，如圖9 所示。結果表明：在工作電壓下，正弦流道的最大速度和壓降分別是GDL/CL 界面的平行流道的1.18倍和6 倍，正弦流道具有更好的性能。

圖9 兩個具有不同流道的PEMFC 示意圖[36]Fig.9 Schematic of two PEMFCs with different flow chan?nels[36]

針對平行流道或單直通道不同橫截面的PEMFC 流道結構改進研究在高電流密度條件下能夠一定程度上獲得更高的功率密度和水去除效果。但是，由于反應氣體的輸運方式仍然是擴散，反應氣體進入擴散層的比例有限，仍然沒有使發生電化學反應的催化層得到充分利用，進而獲得的性能提升也十分有限。在考慮PEMFC 內部傳質的特征后，許多研究學者重點針對提高平行流道PEMFC 氣體壓降和增加氣體在肋下的對流，提出了多種強化傳質的優化方法。

1.1.2 擋板位置和形狀

常規流道中沿流道流動的反應物到達MEA中的GDL，然后氣體通過它擴散以到達發生電化學反應的催化層。另一方面，部分反應物從氣體擴散層流走不參與反應。結果，濃度損失和電池出口處未反應氣體的量增加，低的燃料利用率降低了系統的工作效率。由于與擴散層接觸的流道表面積占電池總反應表面積的比例不到60%，依靠氣體擴散所能達到反應區的氣體相對有限，這成為PEMFC 性能提升的瓶頸之一［37］。因此設法提高反應氣體進入催化層過程中的對流流動至關重要［38］（圖10），以此提高電池的工作效率，同樣，除水能力也會因此得到改善［39］。

圖10 肋下通過氣體擴散層的對流[38]Fig.10 Convection through gas diffusion layer under rib[38]

許多研究發現，在通道中添加擋板可以有效地促進向CL 的反應物供應，從而改善PEMFC 的性能，但是通道中的壓降也有所增加［40?41］。另外，由于增強了氣體對流效應，帶有擋板的PEMFC 的液態水和溫度分布更加均勻［42］。上述研究證實流道中添加擋板可以提升電池性能，但是針對傳質效果的原理沒有深入剖析，尤其缺乏相關物理量的評價指標來指導電池的優化設計，Shen 等［43］對比研究了4 種不同堵塞的PEMFC 的性能，根據場協同原理定義了協同角和有效傳質系數，以驗證結果。結果表明：隨著堵塞的增加，氣體速度與陰極處的濃度梯度之間的平均協同角減小，而有效傳質系數得到改善，從而增強了PEMFC 的性能。

此外，流道中擋板數目、形狀、阻塞程度等參數也對PEMFC 的性能有較大影響，Jang 等［41］以數值模擬研究擋板數對PEMFC 運輸現象的影響（圖11）。由于擋板的阻塞，迫使更多的反應氣體進入GDL 和催化劑層發生了電化學反應，從而增強了燃料電池的性能。然而，隨著擋板數量的增加，低電壓下電流密度的增加量減小。因此，應當存在對應于最高凈輸出功率的最佳擋板數量。蔡永華等［44］研究了擋板高度和形狀對電池傳質性能的影響，結果表明，擋板高度占流道高度的70%，擋板形狀為1/4 圓時，流道的傳質性能最好，電池性能最優。

圖11 不同擋板數（1,3,5,7）的PEMFC 半電池示意圖[41]Fig.11 Schematic of the half cell of PEMFC with different baffle numbers(1,3,5,7)[41]

Heidary 等［45］研究了部分或全部堵塞對燃料電池性能的影響。結果表明，盡管壓降較高，但完全堵塞相比于部分堵塞的情況，迫使了更多的反應物進入CL，促進反應氣體的供應，更能提高凈電功率。在他們后續對于擋板位置排列的研究中（圖12），結果表明，平行流道中的交錯堵塞表現要比連續堵塞擋板效果更好［46］。

圖12 陰極側流道結構示意圖[46]Fig.12 Schematic diagram of cathode side channel struc?ture[46]

以上針對擋板的研究中，集中于使用擋板來增強PEMFC 的發電功率，但是很少考慮擋板引起的壓力損失的影響。這種壓力損失會導致輸送燃料的額外耗功，因此，實質性增強PEMFC 電池性能的流道結構，必須考慮通過通道的入口和出口之間的壓降。擋板形狀是影響擋板流道的重要影響因素，Perng 等［47］研 究 了 帶 有 梯 形 擋 板 的 流 動 通 道（圖13），發現在雙極板流道中的梯形擋板周圍會產生更好的局部PEMFC 電池性能，反應物傳輸，傳熱性能和液態水去除效果，尤其是在梯形擋板的角度和高度較大的情況下。但是，它也會導致局部高溫（＞372 K）可能損壞PEMFC 的膜，并且大壓降（大約424 000 Pa）需要較高的輔助系統耗功來輸送反應物。綜合考慮壓降因素，發現當PEMFC的梯形擋板角度為60°時，比具有傳統流動通道（無擋板）的PEMFC 凈功率提升了約90%。高強等［48］綜合考慮常規擋板結構對PEMFC 性能的影響，認為相對于擋板角度、體積等因素，堵塞程度的增加可以顯著地提升性能。

圖13 梯形擋板流動通道示意圖[47]Fig.13 Schematic diagram of flow channel of trapezoidal baffle[47]

除上述常規擋板形狀外，Fan 等［49］研究兩種新穎的陰極擋板流道設計（多板結構流道和集成結構流道），并通過三維兩相數值模擬進行了研究（圖14）。數值結果表明，具有30°角、0.5 mm 寬度和6.0 mm 距離的PEMFC 表現出最好的性能，并且板角度對PEMFC 性能的影響最大。與常規直流道相比，新穎的流道設計能夠迫使更多的氧氣流向陰極催化劑層，從而提高電化學反應速率。此外，這兩個新穎的流道設計能夠從PEMFC 中去除更多的液態水，從而有效避免水淹。根據仿真結果，對于多板結構和集成結構，PEMFC 凈功率密度的最大提高分別為4.7%和7.5%。

圖14 流道結構示意圖[49]Fig.14 Schematic diagram of flow channel structure[49]

對于直通道或平行流道，已經對擋板流道中的反應物傳輸機理進行了深入研究，也對不同阻塞程度、擋板形狀和擋板個數等參數對性能的影響進行了較為系統的研究，有助于設計時的快速工程預估。但是，這些研究方法不能很好地針對確定形狀擋板進行進一步地優化。為了解決這一問題，相關學者引入了算法工具協助流道結構的優化，曾祥兵等［50］采用遺傳算法對擋板在流道中位置進行了優化，使得PEM 燃料電池的凈功率最大化。Cai等［51］設計了一種具有生物啟發性的波浪狀結構PEMFC（圖15），通過遺傳算法研究了通道中心振幅和波周期數對燃料電池電流密度和壓降的影響。結果表明，最佳流道尺寸可將輸出功率密度提高2.2%。綜合考慮凈功率并利用優化算法等數學工具進一步確定擋板位置和擋板布置方式是未來擋板流道研究的重要方向。

圖15 墨魚鰭和以生物為靈感的波浪狀PEMFC[51]Fig.15 Cuttlefish fins and bio-inspired wave-like PEMFC[51]

1.1.3 流道與肋板的寬度比

雙極板中的流道用于將反應物輸送和分配到MEA 以及水的去除。流道之間的肋板除了傳遞由于電化學反應而在MEA 中產生的熱量之外，還用于電流的收集和從一個電池到另一個電池的傳輸。因此，可以說較寬的流動通道確保了良好的反應物輸送和除水，而寬的肋板則確保了良好的電導率和導熱率以及機械穩定性［24］。為便于研究流道寬度和肋寬對于PEMFC 性能的影響，通常定義流道與肋板的寬度比為流道寬度和肋板寬度之比（Channel to rib width ratio），也有部分文獻定義為肋板寬度和流道寬度之比（Land to channel width ratio）。總流道面積比（總流道面積/電池活性面積）和總流道寬度比（總流道寬度/總電池寬度）一定程度上也能體現不同流道與肋板的寬度比對PEMFC 性能的影響。

Wang 等［52］建立了具有平行流道設計的PEM?FC 的三維模型，其橫截面示意圖如圖16 所示。該模型用于研究流道面積比和陰極流速對電池性能和局部傳輸特性的影響。對于平行流道設計，隨著總流道面積比的增加，燃料被傳輸到擴散層中，進而到達催化劑層的過程主要依靠擴散。較大的流道面積比增加了燃料與擴散層之間的接觸面積，這允許更多的燃料直接擴散到多孔層中以參與電化學反應，從而提高了反應速率。

圖16 PEMFC 的橫截面示意圖[52]Fig.16 Cross-sectional schematic diagram of PEMFC[52]

除了對傳質的影響外，流道與肋板的寬度比直接影響電壓損耗和機械穩定性。Kahraman等［24］計算得出MEA 進入流動通道的最大撓度和電壓損耗與肋板/流道寬度比的關系。結果表明：在一定范圍內，隨著肋板/流道寬度比的減小，電壓損耗也減小。這種對應關系是由于減少肋板寬度和增加流道寬度將增加反應物和GDL 之間的接觸面積，并增強了GDL 中的除水。但是，另一方面，它將減少電流和熱量的傳遞。并且隨著流道寬度的增加（或肋板寬度的減小），由于對MEA的機械支撐減少，因此MEA 進入流道的最大撓度增加。綜合來說，流道寬度應保持在1.5 mm 以下，以保持機械穩定性，而肋板/流道寬度的值應保持盡可能低，以最大程度地降低電壓損耗。他們還建議將肋板與流道寬度之比設為1～2 以實現最佳性能。

經過多年的研究，目前通過改進平行流道結構以提高PEMFC 性能的設計方法已經較為成熟，為分析不同流道結構對反應物分布的影響機理和液態水的去除奠定了基礎，同時也可為蛇形流道、插指型流道等流道結構的設計研究以及其他新型流道的開發研究提供相應的技術支撐。

1.2 蛇形流道

為了解決反應物在平行直流道中可能遇到的分布不均的這一問題，學者們提出了蛇形流道結構（圖17），迫使反應氣體流經一條橫跨整個活性區域的長而曲折的單一路徑。蛇形流道設計可以看作是許多并聯的流道串聯在一起。它具有從一端的入口到另一端的出口的連續流動通道。盡管反應物的濃度沿通道減小，較長的反應物流動路徑會造成更顯著的壓降［53］，但這樣的通道確保了整個區域都被覆蓋。實際上，大的壓降既可以看作是優點也是缺點，需要研究如何在保持已經獲得的反應物傳輸速率的提高和高效去除液體水的優勢的同時有效減少沿通道的壓降帶來的輔助系統耗功，可通過對流道結構的改進以獲得適當的流場。

圖17 蛇形流道設計示意圖（單蛇形流道）Fig.17 Schematic diagram of serpentine channel design（Single serpentine channel）

1.2.1 流道截面尺寸

與直平行流道類似，研究人員也研究了蛇形流道截面的不同特征尺寸對性能產生的影響。Freire等［54］通過不同橫截面形狀（矩形和梯形）的蛇形流動通道，研究了運行參數對PEMFC 性能的影響。研究表明：加濕溫度對于梯形橫截面流動通道PEMFC 性能影響較大，而對于矩形橫截面的蛇形流道的影響可忽略不計。Kumar 等［26］不僅數值分析了流道形狀對陽極氫氣消耗的影響，還進一步研究了可以獲得最優性能的流道尺寸。他們針對不同流道尺寸（流道寬度、流道深度和流道高度）進行了排列和組合，總共得到216 種情況，并繪制了陽極處氫消耗量隨流道寬度和肋板寬度變化的等高線圖。最后得出結論：對于高氫消耗量（80%）的情況，流道寬度、流道深度和流道高度的最佳尺寸值分別約為1.5、0.5 和1.5 mm。

考慮到橫截面在流動方向變化上對PEMFC的影響，Yan 等［55］研究了錐形通道設計（高度或寬度逐漸減小）PEMFC 蛇形流道。結果表明，錐形通道設計在PEM 燃料電池雙極板中的應用可提高燃料利用率，促進反應氣體傳輸，高效去除液態水，從而提高PEM 燃料電池的性能。Wang 等［56］提出并研究了兩種具有錐形通道的蛇形流道，如圖18 所示。他們的實驗結果表明：與傳統矩形通道蛇形流道相比，在高電流密度下的錐形通道可實現更高的性能。錐形的通道可以增加出口區域的氣體流速，從而去除在強制對流驅動下的通道中積聚的水。其次，錐形通道設計加強了相鄰通道之間的肋下對流，這促進了氧氣的質量傳輸，也促進了GDL 肋下區域積聚的水的去除，進而減小了肋板和通道區域之間的氧氣濃度不均勻性。但是，較大的壓降也會增加寄生功率損耗。朱萬超等［57］對于漸變蛇形流場的性能研究也得出了類似的結論。綜合來看，在流道結構設計中，應該考慮PEMFC 運行參數（電流密度的工作范圍、加濕溫度等）的影響，以平衡壓降、水去除和電池輸出性能。

上述許多研究證實了橫截面對PEMFC 性能的影響機理，考慮到實際研究設計中需要建立具體且效果顯著的設計方案。近年來已經有研究人員從優化算法的角度，建立優化方案并開展流道橫截面結構優化相關研究。Wang 等［58］通過在寬度恒定條件下改變流道高度，針對單個蛇形PEM 燃料電池的流道截面尺寸進行了優化，如圖19 中H0～H4所示。與具有直流道的燃料電池相比，優化后的最佳流道結構設計可使電池輸出功率增加11.9%。該流道由3 個錐形通道（通道2～4）和最終的漸擴通道（通道5）組成。錐形通道增強了流道內流動和肋下對流，這都增加了局部氧氣的傳輸速率，增強了除水能力，從而提高了局部電流密度及其分布均勻性。另一方面，出口旁的強肋下對流會導致大量氧氣泄漏，最后的漸擴通道可最大程度地減少反應物在出口處的泄漏。

基于前面所說的擋板對平行流道的影響，學者們也開展了擋板對蛇形流道性能影響的工作，但研究的目的主要是為了解決壓降過大和克服下游區域的嚴重水淹和缺氧現象。Yan 等［59］基于蛇形流道設計了兩種波浪形流道，如圖20 所示，特別是圖20（b）中對波浪形流道的優化，結合了錐形通道特征提出“梯度深度”波浪形流道以提高燃料電池的性能。得出結論：波浪形流道的幾何形狀能夠在貫穿平面方向上誘發對流通量，從而極大地增強了從流道到催化劑層的氧氣供應，從而形成了更高的局部濃度，從而提升了性能。并且，當氧氣流過波浪狀阻擋后，Z方向速度（即貫穿平面方向的流速）從正變為負，表明存在局部漩渦。這種漩渦能夠通過慣性效應去除GDL 中積聚的水，從而改善水的管理。另外，“梯度深度”波浪形流道可以沿流向和貫穿平面方向增加流速，從而能夠克服下游區域的嚴重水淹和缺氧現象，從而實現更均勻的電流密度分布。

圖20 不同波浪形流道結構示意圖[59]Fig.20 Schematic diagram of different wave?like channel structures[59]

對蛇形流道改變橫截面以及增加擋板的研究取得了許多重要成果，但是由于蛇形流道自身的特點與平行流道不同，上述改進方案并不能解決它固有的缺點。因此，考慮蛇形流道流動特性結構改進工作具有更加實際的意義。

1.2.2 流道長度和流道數

蛇形流道、流道長度和流道數量是對燃料電池性能有重要影響的幾何參數。在PEMFC 中，反應氣體傳輸和電極的電化學反應會受到相鄰流道間的肋下對流特性的強烈影響。具體而言，當對流代替擴散成為傳質的主要形式，可以同時增加反應物濃度并降低催化劑層中的產物濃度，從而提高性能和避免水淹。比如，在不改變其有效面積的條件下，可以通過增加流動通道的長度，在單蛇形流道中增加對流，進而提高性能［60］。Shim?palee 等［61］也做了類似的研究，結果表明：通過更改PEMFC 的路徑長度會影響其性能。具有較短路徑長度的PEMFC 顯示出更均勻的電流密度分布和較小的積水程度。Limjeerajarus 等［62］研究了流道數量對小型PEMFC 的傳輸特性和性能的影響（圖21）。從極化曲線來看，他們的結論是：性能隨著通道數量的增加而趨于降低，單通道蛇形流道PEMFC 具有最佳性能。Boddu 等［63］類似地通過數值模擬分析了不同蛇形流道結構和壓降的關系。結果表明：與反應物和水更均勻的分布的單蛇形通道相比，通道數量的增加可以改善高壓降的情況。陳士忠等［64］研究了蛇形流道PEMFC不同流道數對輸出性能的影響，得出了類似的結論。結果表明：三流道蛇形流場PEMFC 的輸出性能優于單蛇形流道，增加并聯的蛇形通道數減少了流道彎折數，進而降低了氣體流程，不僅可以將流道進出口壓力降控制在合理的范圍內，而且可以使流道內反應氣體分布的均勻性更好。這種存在部分差異的結論表明：一方面流道數量的影響在使用不同的MEA 和PEMFC 尺寸時，PEM?FC 性能可能發生顯著變化；另一方面考慮不同的性能評價指標，結論也會發生變化。

圖21 不同通道數量PEMFC 示意圖[62]Fig.21 Schematic diagram of PEMFC with different channel numbers[62]

有效的水管理是PEMFC 的關鍵設計目標之一，上述針對流道長度和流道數的研究大都停留在數值模擬上，能夠在運行期間對電池中液態水的分布實現可視化顯得非常重要，中子成像技術是可視化PEMFC 的強大工具，許多研究人員已經陸續進行了相關工作。Wu 等［65］使用中子成像等技術手段研究了不同通道數蛇形流道的PEMFC 的水分布和積聚（圖22）。結果表明，在不同的電流密度下，單通道蛇形流道有著最佳的性能和最均勻的水分布，也能更有效地去除液態水。通道中水總量的減少可歸因于更快的氣體速度和更高的電池溫度，而四通道設計由于最低的壓降存在發生水淹的趨勢。然而，單通道設計需要更高的輔助系統耗功來加壓/再循環反應物。因此，對于更需要有效去除水的小反應區域燃料電池，單通道蛇形流道更適合。多通道設計則更加合適于大反應區域，因為它的壓降與單通道設計相比低得多，有利于提高系統工作效率。

圖22 在兩種不同恒定電流下運行10 min，單通道、雙通道和四通道蛇形流道中的平均液態水厚度分布中子圖像[65]Fig.22 Neutron images of average liquid water thickness distribution in single-channel, double-channel and four-channel ser?pentine flow channels under two constant currents operation for 10 min[65]

如Kandlikar 等所述［66］，文獻中的大多數針對液態水的研究都集中在PEMFC 中水的穩態行為上，而相對較少的研究涉及水積累和遷移的瞬態行為。為進一步完善流道參數對液態水影響的研究，Spernjak 等［67］進 行 了 與PEMFC 中 液 態 水 的 形 成和遷移的可視化有關研究。他們通過直接可視化研究了透明的單蛇形流道PEMFC，以獲得液態水的形成和運輸行為特性。

從流道長度和流道數角度的結構優化方案考慮了蛇形流道的流動特征，相較于單蛇形流道一方面保留了其可全覆蓋流場區域、有效地去除液態水等優點，另一方面減輕了系統的高壓降問題，降低了流道堵塞的風險，是更具針對性的優化方案。但是可優化參數單一且范圍有限，針對不同運行條件的PEMFC，結論也不盡相同，需要進一步開展典型工況下PEMFC 的統一研究，從而落實其對流道設計的實際指導意義。

1.2.3 流道寬度

Wang 等［68］研究了蛇形和平行流道的總流道寬度比（總流道寬度與總電池寬度之比）對性能的影響（圖23）。他們的分析表明：與蛇形流道相比，增加流道寬度比對平行流道性能的影響更大。因為隨著平行流道寬度的增加，氣體擴散層與反應物之間的接觸面積增大，促進了反應物向氣體擴散層和催化劑層中的擴散。相反地，流道寬度比的增加會減小蛇形流道的肋下對流或強制對流能力的影響，導致PEMFC 中的反應物擴散和除水能力下降。除了對傳質的影響，較大的肋板面積增加了接觸表面從而增強了散熱，MEA 的熱量可以更高效地傳遞至雙極板。

圖23 不同總流道寬度比的蛇形流道示意圖[68]Fig.23 Schematic diagram of serpentine channels with dif?ferent total channel width ratio[68]

Rahimi?Esbo 等［69］分 析 了 不 同 肋 板 寬 度 的 蛇形流道燃料電池性能。與平行流道的研究獲得了相似的結論：通道寬為1.8 mm，通道寬度/肋板寬度的值為1.5 時，PEMFC 獲得了最佳性能，如圖24所示。

圖24 不同通道寬度下的電流密度[69]（電壓= 0.4 V，通道寬= 1.8 mm）Fig.24 Current density at different rib widths (voltage =0.4 V, channel width = 1.8 mm)[69]

值得指出的是，在最佳通道寬度的基礎上，他們進一步在流道設計中引入減少流道數量的設計。結果表明這一新設計可以實現局部化學計量比和速度的提高，并且可以實現壓降減小以及更高效的除水。

1.3 插指型流道

為了進一步加強反應氣體在擴散層中的傳輸過程，研究人員提出了插指型流道（圖25）［70］。與平行和蛇形流道相比，插指型流道的設計是不連續的。它的相鄰兩個流道組成一個單元，一個是進口流道，另一個是出口流道，進口流道的末端和出口流道的起始端均被堵死。

圖25 插指型流道設計示意圖[70]Fig.25 Schematic diagram of interdigitated flow channel de?sign[70]

在插指型流道中，反應物被迫從兩個流道中間的肋下方的GDL 流入出口流道，一部分反應氣體在GDL 中的傳輸機制由擴散轉變為對流，使得反應物充分地流過擴散層提高了氣體利用率，進而提高了功率密度［70］。同時這種結構也增強了反應物在催化層上的均勻分布，較快的流速促進了這些區域的液態水去除［71?72］。但反應氣體經過擴散層的強制對流，會產生較大的壓降，提高輔助系統的功耗，同時由于氣體流速比較大，可能會損傷氣體擴散層，降低電池性能［73］。因此，許多研究人員在擋板方面開展了相關優化工作，與擋板流道結構優化工作類似，Ku 等［74］研究了擋板數對PEMFC 性能帶來的影響。數值結果同樣表明，隨著擋板數的增加，性能得到增強，但是壓降的增加導致了輔助系統的耗功。Thitakamol 等［75］提出了一種新的中擋板插指流道設計，并測試了其對PEMFC 性能的影響。實驗結果表明，當使用空氣作為陰極反應物時，在插指型流道的中間位置處增加擋板的電池性能要優于常規插指型流道燃料電池電池，如圖26所示。根據空氣流速的不同，其功率輸出大約高出1.2～1.3 倍。但是，當陰極反應氣體為O2時，兩個流道的性能幾乎相同。特別地，他們的工作表明流道設計優化工作還要充分考慮PEMFC 自身的工作條件。進一步地，Jang 等［76］用簡化的共軛梯度法與商業CFD 代碼相結合，構建了一個優化器以平均電流密度最大化為目標優化插指中的擋板位置，優化結果可使得燃料電池輸出的功率明顯增加14%。

圖26 常規插指型流道和中擋板插指型流道示意圖[75]Fig.26 Schematic diagram of conventional interdigitated flow channel and mid-baffle interdigitated flow channel[75]

在其他流道幾何參數優化方面，研究人員做了很多與前面類似的工作并將優化效果與平行流道、蛇形流道進行了對比。除平行流道、蛇形流道外，通道長度增加也會對插指型流道PEMFC 中流動氣體分布和電池性能產生影響。Santamaria 等［77］設計了兩種不同長度的插指型流道結構并通過數值模擬進行了研究，如圖27 所示。得出結論：更短的通道插指型流道可以產生更高的最大功率，短插指情況下的最大功率密度分別比正常和高流量情況下的最大功率密度情況分別大33.9%和12.7%。從圖中可以看出，長插指流道盡管在入口（x/Lc=10%，其中Lc為電池長度。）和出口（x/Lc=90%）區域有較高的肋下對流，但在整個長度范圍內卻比短插指流道對流流動程度要低，而短插指流道在整個長度上都存在相對一致的橫流。短插指流道肋下對流速率的中心區域比長插指流道燃料電池的肋下對流中心區域（x/Lc=50%）高約20%，短插指型流道中肋下相對均勻的對流輸運更有利于肋下液態水的去除。在設計PEMFC 時，在決定使用插指型流道設計還是平行流道設計時應考慮通道長寬比。降低插指型流道的長寬比對流道性能改善更有利。

圖27 在長/短插指流道的x/Lc 分別為10%，50%和90%位置的橫流速度剖面圖[77]Fig.27 Sectional views of cross flow velocity at x/Lc posi?tions of approximately 10%, 50% and 90% of both long and short interdigitated flow channels[77]

Cooper 等［78］隨后在電流密度為0.6 A·cm-2的情況下，進一步研究了減小的通道長寬比與插指型流道PEMFC 性能改善之間的關系。結果表明低長寬比的插指型流道往往優于高長寬比的設計，他們通過中子成像技術確定，與低長寬比流道相比，高長寬比流道中的水積累增加（圖28）。這樣的觀察結果表明，隨著長寬比的降低，液體水的去除可能是性能改善的主要原因，結合單相數值模擬進行了驗證。由于橫流不均勻導致的性能損失明顯小于實驗中測量的長寬比增加時的性能損失，得出結論：液態水是高長寬比流道性能損失的主要原因。

圖28 高長寬比與低長寬比插指流道中子照相的水分布圖像[78]Fig.28 Water distribution images of neutron radiography in interdigitated flow channel with high aspect ratio and low aspect ratio[78]

針對流道寬度和肋板寬度比，Kerkoub 等［79］進行了三維數值模擬分析了其對PEMFC 性能和局部傳輸現象的影響。研究了雙極板的插指型流道6 種流道與肋板的寬度之比（0.25～2.66）。得出結論：在高工作電壓下，肋寬比對于電池性能幾乎沒有影響。相反，在低電壓下流道寬度和肋寬度比對電池影響很大。增大肋板的寬度和減小流道的寬度可改善電池性能。此外，最佳流道與肋寬度之比η= 0.25。減小流道與肋的寬度比會增加肋板下方的對流，氣態反應物在電池的有效表面積上能夠更好地分布，從而得到均勻的電流密度分布和更好的電池性能，如圖29 所示。楊立新等［80］針對流道面積比對插指型流道PEMFC 性能影響的研究也得出了類似的結論。為了進一步研究在流道寬度和肋板寬度之比，流道深度兩者的關系，Cooper等［81］在不同操作條件下通過實驗研究了流道/肋板寬度比和流道深度對電池性能的影響。結果表明，對于化學計量分別為1.5、2.0 的陽極和陰極，凈系統功率密度的理想水力直徑約為0.4 mm。總的來說，盡管針對插指流道的優化設計相對較少，但插指流道結構作為一種優秀的設計理念既可以與常規流道形成對比和驗證，也可以為新型流道的設計提供靈感。

圖29 具有不同的流道與肋板寬度比的極化曲線[79]Fig.29 Polarization curves with different channel-to-rib width ratios[79]

1.4 流道設計方案的橫向對比

各常規流道結構均有其優缺點，適用于不同的設計要求。學者除了研究常規流道不同結構下的性能特性，為設計者在各種工作條件下的流道結構設計提供依據外，也對不同常規流道結構進行了大量對比研究工作，進一步指導對流道結構的選型。Hsieh 等［82］在不同操作參數（操作溫度、陽極流道背壓）下，探究了3 種常規雙極板流道結構對PEM?FC 性能的影響，如圖30 所示。研究表明，具有這些流道結構的燃料電池對不同溫度和背壓的性能響應規律相似。其中，點狀流場在相同MEA 有效面積條件下的壓降最小，插指型流道比其余結構有著更好的電池性能。點狀流場中沒有固定的流道，而是由許多阻擋物在流場進出口間規則排列，阻擋物根據特定圖案布置以產生一系列平行和彎曲的路徑［83］。點狀流場結構簡單，但是流體流經流場板時易發生短路，使流體分布不均勻，雙極板得不到充分利用，影響電池性能［84］。Kahraman 等［24］的研究得出了類似的結論，指出這種類型流場的主要問題就是反應物流量的分布不均，這造成了反應物分布不均和電流密度分布不均的問題。為了改善分 布 不 均 的 情 況，Guo 等［85］開 發 了 基 于 網 絡 的PEMFC 點狀流場優化模型，證明優化設計比常規點狀流場具有更高的性能。除了對常規點狀流場的優化，Atyabi 等［83］還設計了一種蜂窩型點狀流場，通過將一組六邊形擋板以規則排列的方式在PEMFC 的陰極通道處創建了一系列平行和螺旋形路徑，結果表明，該設計有效地增強了擴散和促進了反應物分布的均勻性。

圖30 雙極板的幾何結構設計[82]Fig.30 Geometric structure design of the bipolar plate[82]

Li 等［86］對具有平行流道和蛇形流道的PEM?FC 進行了數值研究，流道結構如圖31 所示。他們得出結論：蛇形流動通道的燃料電池表現出最佳性能，但伴隨高壓降。對于平行流道（Z 形）的燃料電池，尤其是在低電池電壓下，存在氧氣質量分數，溫度和局部電流密度的高度不均勻分布的情況，這會嚴重影響燃料電池的性能和壽命。以氧氣質量分數為例，平行流道（Z 形）的氧氣質量分數值在燃料電池下游區域接近于零，此時從氣流通道輸運到催化層的氧氣量不足以滿足電化學反應的需要，氧氣質量分數的高度不均勻性不僅意味著催化層中的催化劑沒有得到有效利用而降低電池性能，并且由于不均勻的電化學反應速率引起的溫度分布不均勻會影響燃料電池的耐久性。

圖31 流道結構示意圖[86]Fig.31 Schematic diagrams of channel structures[86]

Lakshminarayanan 等［87］研 究 了 蛇 形 和 插 指 型流道PEMFC 的性能差異。結果表明：插指型流道無論在數值模擬中還是在實驗中，最高功率密度均高于蛇形流道。Sousa 等［88］建立了PEMFC 的三維等溫模型并進行了實驗，重點研究并對比了4 種不同常規流道結構（平行流道、雙通道蛇形流道、插指型流道和點狀流場）對性能的影響。結果表明，插指型流道PEMFC 具有最高的功率輸出。但是，由于電流密度分布不均勻，可能會產生熱點。因此插指型作為實際燃料電池系統的應用方案還需要進一步研究。隨后Tajiri 等［89］對插指型流道中的傳質機理進行了實驗研究，如圖32 所示。結果表明：插指型流道促進了氧氣通過肋下GDL 的對流作用，這能夠有效地排除擴散層中的液態水，防止水淹現象的發生，但這種對流作用主要發生在GDL厚度方向上靠近流道的部分，通過GDL 厚度方向上剩余位置的輸運仍然依賴于擴散。同時，插指型流道的使用也大大縮短了擴散路徑長度，這與蛇形流道相比大大降低了傳質阻力。不過在較高的電流密度下，因為在入口通道的堵死端和GDL 中會積累大量的液態水，會導致電堆性能不穩定。另一方面，盡管插指型流道在穩態條件下性能高于其他兩種常規流道，如果PEMFC 操作條件要求對突然的負載變化具有快速響應，則必須考慮堵塞對瞬態響應的影響。Li 等［90］的研究表明堵塞的設計，與沒有堵塞的流道相比，它們表現出明顯更差的瞬態響應。

圖32 不同類型流道之間的氧氣傳輸機制（對流或擴散）比較[89]Fig.32 Comparison of oxygen transport mechanisms (con?vection or diffusion) between different flow chan?nels[89]

雙極板流道的設計是高效PEMFC 研發中的關鍵工作，良好的流道可以促進向多孔電極的氧氣供應，改善氧氣分布并因此增加電流密度。在所提到的4 種常規流道中，蛇形和插指型流道結構表現出比平行流道和點狀流場更好的性能，因為它們的設計增強了強制對流，這促進了氧氣的輸送，進而增強了反應物在催化層上的均勻分布。然而，較高的反應氣體壓降一方面有利于對積水的去除，另一方面也增加了輔助系統的功耗。尤其對于插指型流道來說，過高的流動阻力降低了系統凈功率［91］。盡管平行流道通常允許優先的流路，導致反應物在MEA 的有效表面積上分布不均，因此降低了電化學反應效率和PEMFC 性能；但同時較低的壓降和簡單的設計可以降低制造成本并降低燃料電池中的工作壓力，更有利于燃料電池的商業化應用［92］。

綜合來看，在流道結構參數優化設計研究中：

（1）矩形仍是雙極板最常用的橫截面通道設計，其他橫截面形狀可促使燃料電池運行過程中某些特定方面的改進，比如三角形提高了液體水的去除和氧氣的利用，但也伴隨著壓降的提高。通過算法進行截面參數的優化的設計方法尚處于起步發展階段，大部分簡單采用通道寬度、高度等作為決策變量，優化效果不顯著且會導致計算資源激增。流道橫截面優化中如何高效引入截面參數信息，建立精度高且工程可應用的優化算法是目前亟需突破的技術難題。

（2）就擋板通道來說，大多數結果表明，由于擋板對氣流造成的堵塞強化了肋下對流效應，迫使大量氣體流過GDL 到達催化劑層，這增加了反應有效面積，提高了性能，但是隨著壓降的增加，燃料電池的整體性能下降。此外，與無擋板設計相比，擋板設計顯示出明顯更差的瞬態響應。如何在壓降可控的前提下設計適合系統長期穩定運行的擋板布置策略是未來重要的研究方向。

（3）在通道長度和通道數量方面，較長的通道會在相鄰通道之間產生更高的壓差，這會增強肋下對流和燃料電池的性能。另外，具有較短路徑長度或較多平行通道數量的流道設計比具有較長路徑通道或較少平行通道數量的流道具有更好的反應物分布。但是由于各自研究的PEMFC 的具體參數不同，結論有相悖的情況，研究中需要結合運行條件進行分析。

（4）流道與肋板的寬度比方面，對于平行流道，流道寬度的增加，氣體擴散層與反應物之間的接觸面積增大，促進了反應物向氣體擴散層和催化劑層中的擴散。但是對于存在肋下對流的蛇形流道等，會導致PEMFC 中的除水能力下降。同時，較大的肋板面積可以增強散熱，MEA 的熱量可以更高效的傳遞至雙極板。另外，大多數研究基本確定其值為1.5 時（通道寬度/肋寬=1.5）PEMFC 獲得最佳性能。在此數據支撐下，通過和PEMFC 其他結構參數的協同研究是未來流道與肋板的寬度比方面高效結構設計的重要方向之一。

2 新型流道

學者們對最常見的平行流道、蛇形流道、插指型流道等有大量研究，結果表明常規流道往往都有著明顯的優缺點，某種流道結構一方面性能的提升往往意味著另一方面性能的下降，許多設計參數對總體燃料電池效率會產生相互矛盾的影響，設計一個高效流道并不是一件容易的事。因此，對流道優化設計的主要限制是這些參數之間復雜的平衡關系。比如：平行流道具有較低的壓降可以減少輔助系統耗功，但是較低的流速也就不能有效地吹掃液態水。另一方面，很多學者也在不斷開發新型流道結構，如基于仿生學的仿生流道、螺旋流道和3D 流道等，旨在尋找能同時實現低壓降、反應物均勻分布以及更高性能等優于常規流道的新型流動模式［93］。尤其是最近的3D 流道雙極板，它能夠有效提高電池的質量傳輸，同時促進液態水從電池中排出，是目前流道結構研究的熱點之一［94］。

2.1 仿生流道

燃料電池雙極板流道的功能之一就是分配反應物并排出產物，許多活生物體中存在可以高效完成這一功能的結構。這些基于自然生物的通道幾何結構，如圖33 所示的葉脈系統［95］，其中營養物質流過母通道并分配到較小的子通道。由于這些流動網絡的自然演變，以最小的壓降最大化了營養物質分布［96］。因此，近些年，基于分形設計、生物啟發等設計理論，越來越多的研究者旨在尋找具有仿生特點的高性能雙極板流道結構。

圖33 自然流動結構示例[95]Fig.33 Examples of natural flow structures[95]

Kloess 等［97］提出了一種以葉片和肺為靈感的流道結構，如圖34、35 所示。總共分析了4 種流道結構，即單蛇形、插指型、肺和葉型流道并進行了數值模擬和實驗測試，相對于常規的插指型或單蛇形流道（38～41 Pa），在葉或肺型設計中獲得了更低的壓降（26～27 Pa），通過氣體擴散層的氣體傳輸也更加均勻。實驗測試結果也發現，在相同的工作條件下，采用葉或肺型流道的燃料電池的性能要優于常規流道結構，峰值功率密度提高了30%。

圖34 生物啟發的新型葉型流道[97]Fig.34 New bio-inspired leaf flow channel[97]

圖35 生物啟發的新型肺型流道[97]Fig.35 New bio-inspired lung flow channel[97]

Ouellette 等［98］在隨后將常規流道中插指流道增強肋下對流的理念和生物靈感進行了有機結合，使用常規的蛇形流道作為參照，分析了使用基于樹狀結構的插指流道和非插指流道作為陽極或陰極板對性能的影響。在所有流道組合中，蛇形流道（陽極）和基于樹狀結構的插指流道（陰極）的組合表現出最佳性能，并且催化層表面的反應物均勻性最好，他們認為這歸因于這兩個流道構成流道的肋下對流增強。圖36 描繪了生物啟發式樹狀結構。樹狀結構非插指流道提供了所研究結構中的最低壓降，但是也造成反應物更易于直接從進口流向出口，導致該結構的PEMFC 性能下降。國內學者易偉［99］以Murray 定律為基礎，通過模擬四葉草葉片形狀和葉脈結構，設計了一種新型仿生流道結構。比較了其與傳統蛇形流道電池的水管理性能。結果也表明新型仿生流道內壓降更小，反應氣體和水的分布更加均勻，電池性能更好。

圖36 生物啟發式樹狀結構[98]Fig.36 Bio-inspired tree structure[98]

Trogadas 等［100］在針對肺型流道的進一步研究中發現可以應用肺的分形幾何形狀來克服反應物分布不均問題，如圖37 所示，N代表分支代數。在50%和75%相對濕度下，基于肺部流道的PEM?FC（N=4）的性能優于傳統的蛇形流道設計，其最大功率密度分別提高了25%和30%，反應物分布均勻性也最好。在壓降方面，N=3 和N=4 的流道比常規蛇形流道設計在不同相對濕度條件下的壓降都分別降低了75%和50%，降低了反應物加壓的功率要求。但在高濕度水平（100%）下，N=5的流道的性能明顯惡化，多分支肺型流道中空氣流速的降低阻礙了氣體在多孔介質中的有效擴散，導致對液態水去除不足。

圖37 具有不同分支數量N 的肺啟發性流道[100]Fig.37 Pulmonary inspired flow channels with different number of branches N[100]

考慮到多孔金屬結構類似于某些生物結構特征，例如海洋中的海綿，所以也可將多孔金屬視為具有生物啟發性的流道設計。多孔金屬材料不僅繼承了原材料的固有特性（如導電性、導熱性和可塑性），而且在孔隙分布、孔隙率和滲透率、比表面積、毛細性能等方面顯示出許多新的優勢。基于這些優秀的性質，它們已被廣泛應用于流量分配、換熱和催化劑載體等領域，在PEMFC 上的應用主要是金屬泡沫的形式［101］。前文所提到的各種流道結構，本質上也就是雙極板表面上加工出的流量分配器，在PEMFC 中起到對反應氣體合理分配的作用。由于在提升性能上有良好的潛力，近些年已經有很多研究將其作為PEMFC 中氣體分配器的潛在候選者，它在PEMFC 中的應用如圖38 所示。

圖38 金屬泡沫作為流量分配器的PEMFC 示意圖[101]Fig.38 Schematic diagram of PEMFC with metal foam as flow distributor[101]

Tseng 等［102］使用金屬泡沫（圖39）作為流量分配器對PEMFC 進行了實驗，并與石墨雙極板流道的PEMFC 單電池進行了對比。結果表明，由于金屬泡沫的高孔隙率（高達95%）加上通過金屬泡沫內的對流，流動阻力很小，因此分布不均現象比傳統的帶有“流道?肋”幾何形狀的雙極板流道作為流量分配器的PEM 單元電池明顯減輕。類似于前面對流道與肋板的寬度比的分析，采用石墨雙極板流道時，肋板與流道面積之比約為1∶1，因此，通過肋下區域進入催化層的反應氣體比流道區域的少，導致電池性能下降。此外，產物水容易在肋板和GDL 界面附近積聚。泡沫金屬作為流量分配器具有良好的反應物氣體濃度分布均勻性，但是由于金屬泡沫的表面面積很大，防止腐蝕也是未來進一步發展中的一個重要挑戰。

圖39 金屬泡沫的側視圖[102]Fig.39 Side view of metal foam[102]

金屬泡沫獨特的傳質特性及其重量輕的特性作為流量分配器有著很大的發展潛力，但是對基于金屬泡沫流場的PEMFC 中水運輸的機理了解有限。最近，Wu 等［103］使用中子射線照相法研究了金屬泡沫流場的PEMFC 中的水的運輸。結果表明，當電池工作在高電流密度下（1 000 mA·cm-2）時，與蛇形流道設計相比，基于金屬泡沫流場的PEM?FC 具有更高的耐脫水能力以及更均勻的水分布，最大功率密度也比蛇形設計提高了約101%。當然，在低電流密度區域金屬泡沫流場由于除水能力較弱，表現出較高的水積聚，但是可以通過優化燃料電池的工作條件和金屬泡沫微結構部分緩解水淹的情況。在溫度零下環境中，水分集聚在肋板下，造成電池排水困難，結冰嚴重和冷啟動性能低下。霍森等［104］對零下環境中金屬泡沫流場PEM?FC 冷啟動過程中傳熱傳質現象的探究結果表明：與平行流道相比，泡沫流場電池由于其更優越的排水性能和均分氣體能力，陰極催化層內結冰速度更慢，冷啟動性能更優越，但金屬泡沫良好的導熱性不利于零下環境中電池溫度的提升和保持。

可以觀察到，與常規流道相比，仿生流道通常可以實現相關的性能提升，尤其是在反應物均勻分布和降低壓降方面有很突出的表現，可以證明該型流道結構的巨大潛力。考慮到分形結構與其他設計相比沒有表現出特別顯著的性能提升，目前的研究似乎更多地集中在葉型和肺型等設計上。另一方面，這些工作大都停留在實驗室水平，由于催化劑、GDL 和操作條件在各類文獻中不盡相同，缺乏電池組件的標準化，因此要確定該類雙極板設計對真實電池最終性能的影響十分困難。此外，由于結構自身的缺陷，更具挑戰性的是其在耐腐蝕、制造、成本經濟性以及可回收性等方面的問題［24］。

2.2 螺旋流道

在傳統的流道型式如平行、蛇形和插指型流道等情況下，會出現一些急轉彎，造成轉角處的流動損失，導致流道出現較大的壓降。為了改善傳統流道的缺陷，螺旋或彎曲流道是可以考慮的結構形式。

之前的一些關于彎曲流道特性的研究表明彎曲流道中的二次流可以增加傳熱傳質。此外，采用螺旋設計可以降低氣體在流動過程中的壓降［105］。Rodman 和Trenc［106］對不同曲率的螺旋流道壓力損失進行了實驗研究。結果表明，對彎曲通道中發生的二次流對傳熱傳質有一定的促進作用

Jang 等［107］通過數值和實驗研究了具有螺旋通道幾何形狀的PEMFC 的性能，并將其與具有蛇形流道的電池進行了比較，流道結構如圖40 所示。得出結論：他們發現前者的形狀可以減少壓降，同時，螺旋形流道產生了次級渦流，這促進了彎曲通道中的傳熱傳質的增強，并明顯改善了燃料電池的性能。

圖40 螺旋和蛇形流道的仿真模型[107]Fig.40 Smulation model for both spiral and serpentine chan?nels[107]

與常規流道類似，Abdallah 等［108］設計了一種新型的具有螺旋流道的質子交換膜燃料電池，以研究流道橫截面形狀（矩形，梯形和三角形橫截面）對反應物的轉移和消耗以及電池性能的影響，如圖41 所示。結果表明，相對于梯形和矩形橫截面，三角形截面流道結構顯示出最佳性能，該截面大大增加了反應物的流速，從而增強了除水過程和反應物的消耗，矩形橫截面的電池性能最差。Juarez?Ro?bles 等［109］開發 了具有同心螺旋結構的PEMFC 三維、單相和非等溫模型，以研究流道數量對電池性能的影響。他們發現，四流道模型在較低的壓降、均勻的反應物分布和電流密度方面具有最佳性能，并且獲得了更高的功率，而八流道模型產生了最差的性能。Monsaf 等［110］研究了流道?肋板的寬度比對電池性能的影響，類似地，他們的研究結果表明：流道?肋寬度的比率越高，流道與GDL 之間的接觸面積越大，擴散進入GDL 的反應物數量越多，反應物分布越均勻。螺旋流道數的增加提高了反應物分布的均勻性。當反應物從螺旋流道的外側流入并從其內部流道流出時，螺旋流道會產生離心力，從而增強電池性能。在流道擋板方面，Cheng等［111］的研究表明擋板的加入產生了垂直和水平方向的渦流，可以增加彎曲流道中氣體的傳質。

圖41 3 種不同研究截面的計算域[108]Fig.41 Computational domains of three different research sections[108]

由于氣體的速度和壓力分布是均勻的，螺旋流場減小了流場單位長度的壓降。因此，與其他流場設計相比，螺旋流場可以有效地降低輔助系統功耗。盡管如此，螺旋流場同樣存在自身的固有缺陷，螺旋流場具有相當大的歐姆損耗［112］。并且，與蛇形流場類似，由于路徑較長，在流道長度方向上的后端可能會出現氣體供應不足的情況。

2.3 3D 流道

相較于在雙極板上以二維平面幾何為特征加工出的流道，3D 流道是在雙極板的整個三維（3D）區域進行設計的，它既是一種新的流道結構形式，也是一種先進的設計方法。最簡單的3D 流道是在流道中嵌入了一定數量的擋板，這部分在流道結構參數章節中進行總結。2014 年末，日本豐田汽車公司推出燃料電池車“MIRAI”，同時也提出了一種新的雙極板結構設計，即三維細網格結構流道［113?114］，其結構如圖42 所示。它可以借助傾斜結構促進氧氣在整個平面方向上的傳輸，并同時促進液態水從電池中排出，減輕PEMFC 中積累的水對反應氣體傳輸的影響。在結構設計中，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。

圖42 三維細網格流道[113]Fig.42 Three-dimensional fine mesh flow channel[113]

Shen 等［115］用數值模擬的方法研究了3D 流道PEMFC 中水的輸運和性能表現，結構如圖43 所示。結合場協同原理，得出結論：通過3D 流道的子通道可以有效地去除液態水，增大反應物入口速度有利于去除液態水。并且與常規流道相比，3D 流道也可以增強質子交換膜燃料電池的傳質能力，改善其性能，特別是在高電流密度下。

圖43 3D 流道結構示意圖[115]Fig.43 Schematic diagram of 3D flow channel structure[115]

3D 流道成為近年來的研究熱點，但由于這類流道的PEMFC 制造難度較大，許多工作大多停留在模擬層面，實驗數據很少。He 等［116］結合試驗和模擬研究不同傾角結構的3D 流道的運輸機理，如圖44 所示，并得出結論：在高電流密度下，所設計的3D 流道結構能夠顯著提高電池性能。與常規平行流道相比，傾斜角為15°的3D 流道提升了15%的凈功率輸出。實驗結果表明，大傾角流道更適合于相對濕度低、化學計量比高以及工作壓力小等含水量較低的場合，因為其具有較大的氧輸運量。而小傾角的流道水管理能力強，因此更適合于高含水情況。

圖44 三維流道設計示意圖[116]Fig.44 Schematic diagram of 3D designed flow channel[116]

這種流道相對于常規流道，氣體的分流作用使得氣體在流道上分布更為均勻，氣體在流動中對擴散層表面有一定的沖擊作用，產生的強制對流效應使得更多的氣體能進入催化層發生反應。同時，與常規流道相比，流道間的肋板基本消失，催化層高活性反應面積增加，肋下對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。

綜合來說，新型流道設計具有突出的優勢，面向未來高性能PEMFC 的設計和開發，具有著巨大的發展潛力。但是與傳統流道比較，結構相對復雜、制造難度較大，因此未來結合制造工藝發展，實現結構?工藝?性能一體化設計，將是上述新構型流道發展和應用的核心所在。

新型流道與傳統流道設計間的優缺點如表1所示。不同流道結構的優化設計與制造都是為了實現更好的傳質在燃料電池上的應用，因此，研究多通過數值模擬和實驗相結合的手段，以期達到對PEMFC 設計的實際指導意義。綜合來看，目前研究中主要是通過在整個流動域進行流體組織，促進反應物分布均勻；其次添加擋板產生擾動，增強對流；再者提高流速，加強液態水吹掃能力來優化流場的傳質性能。具體而言，不同的流道類型實現了在整個活性區域的流場流動的重新組織，其中，平行流道、插指型流道及仿生型流道氣體分布均勻性更好；流道寬度的增加，增大了燃料與擴散層之間的接觸面積，允許更多的燃料直接擴散到催化層，降低了反應物分布的不均勻性；梯形橫截面流道結構在反應區域上反應物更加均勻，提升了性能。擋板的添加可以有效地促進向CL 的反應物供應，增強肋下對流效應，但是也帶來了較大的壓降，降低了系統的凈功率。錐形流道設計和梯形擋板設計等措施提高了反應氣體流速，提高了燃料利用率，促進反應氣體傳輸，更高效地去除了液態水。盡管這些措施實現了強化傳質的目的，但是更優異的PEMFC 輸出性能和系統的安全性、高穩定性及耐久性具有更實際的意義。因此，強化傳質各項措施的研究需要考慮商用PEMFC 生產的限制從而作出綜合評價。

表1 不同流道設計之間的優缺點Table 1 Advantages and disadvantages of different channel designs

3 流道結構研究展望

從常規流道結構研究可以看出，即便是相同的流道結構在不同工作條件下也可能產生相悖的結果，因此，進行雙極板流道結構的設計時一個重要挑戰是缺乏燃料電池組件和工作條件的標準化。由于大多數已發表的文獻通常都使用不同的電池組件（例如CL 或GDL）以及不同的工作條件，研究人員很難利用文獻研究中的最新成果［117］。因此，作為面向未來的PEMFC 流道結構研究需要有具體定義的幾何形狀和組件，那么建立符合行業標準的典型PEMFC 單電池模型就顯得尤為重要。定義明確且可用的設計基準將更有利于評估未來研究中新穎流道結構的性能。

另外，對新型流道中的水管理研究相對不足，鑒于新型流道制造難度大和成本高的問題，新型流道未來的研究工作將繼續依賴CFD 方法進行模擬。因此，需要進一步推進的研究工作包括考慮液態水的形成和液滴傳輸的更準確的CFD 建模，以及更詳細的模型驗證。在新型流道實驗研究方面也需要進一步推進，針對研究目的要更多地使用諸如中子射線照相、電流密度映射（Current distribution mapping，CDM）、電化學阻抗 譜（Electrochemical impedance spectroscopy，EIS）等先進的實驗技術，進一步挖掘3D 流道等新型流道的設計潛力［118?119］。雖然目前這些技術在新型流道研究上的應用很少，但是在常規流道上的應用經驗［120?122］足夠讓我們相信這類技術一定會讓研究者在未來的工作中獲得更深入的見解以及更具創新性的靈感。圖45 給出了CDM應用示例。

圖45 燃料電池CDM 測量實物圖[121]Fig.45 Actual pictures of fuel cell CDM measurement[121]

在未來流道結構設計趨勢方面，通過對流道結構研究的綜述已經表明，各種流道均有其優勢和伴隨的缺陷，片面采用某種流道結構都欠缺穩妥。因此，未來以設計需求為導向并在考慮各流道結構特性的基礎上對流道進行有效結合形成“組合流道”將是未來中短期一個重要的設計方向［123］。這種組合要以提高性能為核心，以減輕設計缺陷為突破點，最終還要考慮燃料電池在實際生產制造中的應用。在形式上，既可以是不同流道類型的組合［124?125］，也 可 以 是 不 同 改 進 措 施 的 組 合［126］。但是，這種組合可以提升的空間明顯有限，隨著未來計算機硬件和3D 打印制造技術的發展［127?128］，長遠來看，PEMFC 流道結構更可能是向尺寸精密化及結構三維化的方向發展，脫離二維平面常規流場特征的束縛，更可能達到PEMFC 極致性能的目標［129］。最后，人為設計的流道結構需要充分利用數學工具，有必要引入面向高效PEMFC 流道結構的多目標優化算法［130］，以實現PEMFC 流道結構設計上的性能極致。

4 結 論

本文綜述了BP 流道結構對PEMFC 性能的影響，討論了雙極板的類型，并總結了雙極板流道結構優化設計時必須考慮的一些特定參數，例如流道長度、橫截面參數和擋板的使用等。剖析了這些雙極板流道結構設計與傳質、傳熱、電導率及輸出功率密度等的關系。結果表明，電池性能與所使用的流道結構直接相關，設計者可以使用精心設計的雙極板流道結構來解決電池性能有關的一些挑戰和困難。通過選擇合適且有效的雙極板幾何設計，可以解決不良的水管理、不均勻的反應物分布及不均勻的電流分布等難題，這些問題不僅決定了整體電池性能，而且還可以降低膜電極組件上的機械應力，從而延長電池的使用壽命。因此，適當的流道結構可以有效地保證電池的性能和運行穩定性，并降低電池成本，特別是長時間以高電流密度運行的燃料電池必須具有良好的雙極板幾何結構。在燃料電池流道結構未來的研究和發展中，不同雙極板流道結構對PEMFC 性能有不同的影響，這些影響互相制約，對于不同的設計目的必須要根據自身的需求而舍棄相對次要的因素。因此，從結構參數設計和優化的角度出發，流道結構的設計應是一個考慮電池水熱管理和電池凈功率輸出等性能特征的多目標協同優化的過程，從而達到使PEMFC 長期穩定高效運行的目的。同時，面向未來的流道結構需要更精密的三維結構設計以及更高效的算法支撐。