質子交換膜燃料電池雙極板折線流場設計

中圖分類號：U463.633 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0082-05

【Abstract】Proton exchange membrane fuel cels are regardedas a clean energy technology with broad application prospects due to their simple structure，reliableoperation，high power generation eficiencyand the factthatthey only produce pollution-free water.At present，proton exchange membrane fuelcels have become the most widelyused typeof fuelcell inthenewenergyvehicleindustry.Among itscorecomponents，thebipolarplateplaysacrucialrole.Thegrooves machinedon itssurface are calledflow fields，whose main functions include transporting reaction gases，achieving uniform gasdistribution，andassisting inthedischargeof product water.The designqualityof theflow field structure directly afects the overallperformanceof thefuelcell.Byadjusting thenumberofbends inthepolygonalflowchannel，thearticle designed three diferent structures of polygonalflow fieldsand conducted simulation studies onthese threestructures.The simulationresultsshowthatcomparedwiththetraditionaltraight-channelflowfield，theoptimizedzigzagflowfieldexhibits significantimprovements inmultipleaspects，includingcurentdensitydistrbution，waterdistribution，gasdistribution，and pressure distribution，etc.Among them，the improvementofcurentdensitydistributionand waterdistribution is particularly prominent.Themaximumdiffrenceincurrentdensityoftheimprovedzigzagedflowfieldisreducedbyapproximately0.10A/ cm2comparedtothestraight-chanel structure，whilethemaximum wateractivityisdecreasedbyaboutO.O5，ffectively compensating for the weak drainage performance of the traditional straight-channel flow field.

【Key words 】PEMFC;automobile fuel cell；bipolar plate;fuel cell runner;simulation

0 引言

當前，能源短缺問題日益嚴峻，開發高效、環保的新能源技術顯得尤為重要[]。質子交換膜燃料電池因其在運行過程中無噪聲、溫度較低、穩定性強，且僅產生水這一無污染副產物，已廣泛應用于諸多領域，如交通運輸、建筑能源、車輛能源[2]。

質子交換膜燃料電池主要由質子交換膜、催化層、氣體擴散層、雙極板等組成，雙極板經過機械加工形成凹槽被稱為流場，雙極板凸起部分稱為肋板。流場的作用是引導反應氣體流動與產物水的排出[3]。流場結構直接影響電池性能[4]。目前，流場設計主要分為傳統結構與新型結構。傳統流場包括直道流場、單通蛇形流場、網狀流場、點狀流場[5-6]等。其中，直道流場結構具有簡單、壓降小等優點，但其氣體在流道中停留時間短，易造成反應不充分；

蛇形流場具有較長通道路徑，對供氣裝置要求較高，適用于高功率工況，但壓降較大，末端易積水，甚至發生水淹現象。另一類流場為新型流場，如Kumar等人研究的不同橫截面流場[，Huang等設計了仿生流場[8-9]，Jiang 等則提出在流道中設置擋板以增強肋下對流[10]。新型流場在一定條件下可提升電池性能，例如三角形截面在低電壓工況下表現優越，但高電壓下性能差異不顯著；變截面結構可改善電流密度分布均勻性，但可能引發熱點、水積聚等問題，甚至導致功率反降。另一類錐形流道雖然能有效增強局部肋下對流并改善出口處氣體分布均勻性，但其加工復雜，難以實際應用。

以上介紹的主流的改良方式本質均是提高肋下對流效率對增強反應氣體進入氣體擴散層，針對現有優化策略的不足，本文基于傳統直道流場，提出通過將直線結構改為折線結構的方式進行優化。通過仿真結果對比分析，新型折線流場多項性能均優于直道流場。

1模型建立

1.1傳統流場和折線流場幾何模型

如圖1a所示，傳統直道流場的幾何結構為邊長5cm×5cm 的正方形模型。由內到外，分別是質子交換膜、催化層、氣體擴散層、流道。流道與肋板的寬度比為1：1。折線流場結構除流場外，其余幾何參數均與直道流場保持一致。本文設計了3種不同彎折個數的折線流場結構，分別命名為結構1、結構2和結構3。結構1設定為3個彎折，在此基礎上，依次將彎折次數增加至6和9，分別構成結構2與結構3。折線流場結構圖如圖1b所示，3種結構的具體幾何參數詳見表1。

圖1幾何模型

1.2 數學模型

本文所建立的模型，主要包括以下幾個方程組：質量守恒方程、電荷守恒方程以及活化極化表達式。為了簡化計算過程，模型在構建過程中給出以下假設：燃料電池處于穩態運行條件下，所有氣體組分均不可壓縮，且服從理想氣體狀態方程，質子交換膜對氣體完全隔離。基于上述假設，模型計算過程中采用的主要控制方程如下。

表1幾何結構基本參數

質量守恒方程用于描述流體在流場中的質量守恒關系，是適用于整個流動過程的基本方程：

式中： ε ——多孔介質孔隙率； ρ —一氣體的密度;t^. —時間； ——氣體速度向量； S_m —質量源（不同的區域 S_m 值一般不同）。

燃料電池的電化學反應一般用電荷守恒方程進行描述：

式中： σ_sol. —固相電導率； φ_sol —固相電勢;R_sol （204 固相體積交換電流密度； σ_mem. 膜相電導率； φ_mem. 膜相電勢；Rmem 膜相體積交換電流密度。

燃料電池在電化學反應過程中存在活化過電位，當輸出電流在某個區間的時候，電極電流與活化過電位成半對數關系：

式中：R——理想氣體常數； T- ——溫度； a 電荷傳遞系數； n —電子數； i- —電流密度；i₀ —交換電流密度； Ψ_a ——電流密度為單位數值時的過電位值； b ———Tafel系數。

2 網格獨立性驗證

模擬運算中如果網格劃分過于細密，會增大計算時間，造成資源浪費，網格劃分若過于粗糙，會影響計算精度。本文劃分4種網格，最大網格尺寸分別為： 0.40mm 、 0.30mm 、 0.20mm 、 0.10mm ，圖2為不同網格運算后的極化曲線圖像， 0.10mm 與 0.20mm 重合度較高，考慮計算時間選擇 0.20mm 網格。

為驗證所建立的模型準確性，本文將模擬結果與文獻中提供的試驗數據[1進行對比，圖3是試驗數據與仿真數據極化曲線對比圖。仿真建模采用COMSOL軟件，建立的模型與文獻中的試驗保持一致。試驗中采用的燃料電池，運行工況情況為：電池溫度約為 80% ；壓力約為 1atm ；陽極反應氣體摩爾分數與陰極反應氣體摩爾分數之比數值約為1/5。由試驗結果與模擬后的極化曲線對比可知，模擬結果與試驗數據重合度較高，誤差較小，最大誤差不超過 5% 。證明本文的模型搭建思路正確、模型準確度較高。

圖2不同粗糙程度的網格極化曲線

圖3試驗數據與仿真數據極化曲線對比

3 模擬結果與分析

3.1 電解質膜上電流密度分布

電解質膜上的電流密度分布越均勻，燃料電池運行越穩定，高功率下避免局部熱點的產生，能提升整體輸出性能和使用壽命。圖中底部為進氣口方向（本文中所有相關圖像底部均表示流道入口側）。圖4a所示為傳統直道流場的電流密度分布，其高電流密度區域主要集中在膜中部區域（約位于1.6～3.2cm ），而靠近底部（進氣口）區域電流密度偏低，且分布均勻性較差，整體電流密度最大差值約為 0.20A/cm² 。

圖4b為折線流場電流密度分布圖。結構1的電流密度分布明顯優于直道結構。結構2在進一步增加彎折次數后，電流密度分布均勻性略有提高，其最大差值約 0.10A/cm² ，相比直道流場和結構1有明顯改善。結構3雖然彎折個數進一步增多，但在下部區域（靠近進氣口一側）出現了較低電流密度區域，整體均勻性有所下降，因此過多彎折可能導致性能降低。

圖4質子交換膜電解質電流密度分布圖

綜上所述，適當增加流道彎折有助于優化電流密度分布，但過多彎折可能影響氣體輸運，導致局部反應不足。因此，結構2在本次設計中表現出最佳的電流分布性能。

3.2 水活度分布

水活度即電解質膜的含水量，合理的水管理對于維持燃料電池的高效穩定運行至關重要。若流道設計不當，易導致水分在局部區域過度積聚，嚴重時可引發水淹現象，進而導致燃料電池性能下降甚至失效。例如在流道中設置擋板可提升部分性能參數，但同時也容易在擋板處引發水分堆積，尤其在高功率工況下更容易形成水淹現象。優質的流場結構應具備良好的排水性能，表現為電解質膜上的水分分布均勻、整體水活度較低。圖5為5種不同流場結構在相同工作條件下的水活度分布情況。

圖5質子交換膜水活度分布圖

圖5a為傳統直道流場結構，其在上半部分（ 0～2.5cm ，進氣口側）具備較強的水吹掃能力，但隨著反應的進行，氣體在流動過程中的攜水能力減弱，導致下半部分（ 2.5～5cm ）水分開始明顯積聚，尤其在出口處形成大量積水。圖5b所示分別對應3種折線流場結構。從圖中可以觀察到，折線流場在整體水管理方面優于直道流場。盡管在靠近 2.5cm 處仍出現一定水分聚積現象，但整體分布更為平緩，積水程度顯著減輕，說明其具備更強的抗水淹能力和更優的排水性能。

結構1～結構3，水管理能力先略提升后降低。其中，結構2水管理最佳，水活度最大值相對于直道流場降低了0.05，在高功率工況下可穩定運行。

3.3 氫氣分布

反應氣體在流場中的分布均勻性是衡量流場設計優劣的重要指標之一。良好的氣體分布有助于實現均勻的電流密度分布，提高燃料電池整體效率與穩定性。若流場結構設計不合理，常會出現進出口處氣體濃度差異過大，或在電池內部形成局部高濃度或低濃度區域，導致反應不充分甚至局部失效。

圖6展示了不同流場結構下，在陽極氣體擴散層位置的氫氣摩爾分數分布圖。圖6a所示的直道流場，其結構簡單，具備良好的氣體輸運能力，表現出較為理想的平均氣體分布特性。在該結構中，進氣口處氫氣摩爾分數約為0.95，至出口處降至約0.88，說明其在輸運過程中雖存在濃度降低，但整體變化較為平穩。相比之下，圖6b所示的3種折線流場結構在氣體分布均勻性方面表現出進一步提升。尤其在流道出口位置，氣體濃度分布更加均衡、梯度變化更為平滑，表明其具有更優的反應氣體輸運性能。隨著流道彎折個數的增加，氣體分布的均勻性呈現略增強的趨勢。結構2與結構3分布表現類似，在進氣口處氫氣摩爾分數均為0.95，出口處為0.90，優于結構1的表現，也優于傳統直道結構在氣體均勻性方面的能力。這說明適度增加彎折可有效延長氣體在流道內的停留時間，從而提升反應充分性與氣體分布均勻性。

圖6氫氣摩爾分數分布圖

3.4 壓力分布

壓力分布對于燃料電池運行與結構穩定性具有重要意義。合理的壓力分布不僅有利于燃料電池的裝配，還能減輕供氣系統的負擔，提升整體能效。盡管多種流場結構優化方案在提升燃料電池性能方面表現出積極作用，但可能會導致流道內壓降過大（壓降為流道入口與出口之間的壓力差），進而引發供氣系統能耗上升、電池功率下降，甚至影響電堆的結構裝配與運行穩定性。

圖7為4種不同流場結構在相同工況下的壓力分布情況。直道流場壓力分布均勻，壓降較小，約為 1.8Pa 。結構1的壓力分布與直道流場相似，但壓降略小于直道流場。結構2與結構3壓力分布表現類似，出口部位約為 0.1Pa ，但在入口處的壓力略高于直道流場，約為 2.0Pa ，導致整體壓降增至約 1.9Pa 。說明隨著流道彎折次數的增加，氣體流動阻力逐漸增大，導致壓降相應升高。

圖7流道壓力分布圖

3.5極化曲線與功率密度曲線

圖8為不同流場結構下的極化曲線與功率曲線。

圖8極化曲線與功率密度曲線

在低電壓區域，兩者的輸出特性較為接近。在電流密度低于 0.4A/cm² 時，各流場極化曲線幾乎重合，此時主要由歐姆極化主導，結構差異對性能影響不大。然而，當電流密度高于 0.4A/cm² 時，活化極化逐漸成為主導因素，不同流場結構之間的性能差異開始顯現。此時，結構2的極化曲線位于最上方，其次依次為結構1、結構3和直道流場，表明結構2在高電壓區具有更優的電化學反應效率。此區間內性能差異主要受反應氣體濃度分布的影響，氣體輸運效率成為影響活化極化的重要因素。

功率曲線與極化曲線的分布趨勢基本一致。結構2在整個工作范圍內均展現出最高的輸出功率密度，直道流場始終位于最下方，輸出功率最小。結果表明，結構2在保證反應氣體分布、降低極化損失方面表現最優，整體性能優于其余結構，而傳統直道結構性能相對最弱。

4結論

本文所設計的新型折線流場是在傳統經典直道流場的基礎上，通過引人彎折結構進行優化改進的一種新型流場。通過調整彎折個數，構建了不同的折線流場結構，并對其性能進行了系統的模擬分析，以探究彎折個數對燃料電池性能的影響。仿真結果表明，隨著彎折個數的變化，各項性能指標均表現出不同程度變化。

1）電流密度分布方面：折線流場顯著優于直道結構，整體分布更加均衡。相對直道流場，折線流場的電流密度差值降低 0.10A/cm² 。隨著彎折個數的增加，電流分布均勻性先增強后略有下降。

2）水管理性能方面：折線結構在質子交換膜表面的水活度分布更加平穩，相較于直道流場，水活度最大值降低約0.05，表明其具有更強的水管理能力。水管理能力隨著彎折個數的增加呈現先略增強后減弱的趨勢。

3）反應氣體分布方面：折線流場在氣體傳輸和分布均勻性上較直道流場略有改善，隨著彎折次數的增加，氣體分布趨于更加均勻，有助于提高反應效率。

4）壓降方面：折線流場在提升性能的同時也帶來了一定程度的壓降增加。折線結構的壓降隨著彎折個數的增加，壓降逐漸增大。

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（編輯 凌波）