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质子交换膜燃料电池的自然流场设计

A. Arvay ^a, J. French ^a, J.-C. Wang ^a, X.-H. Peng ^b, A.M. Kannan ^a,*

^aFuel Cell Lab., Department of Engineering, Arizona State University, Mesa, AZ 85212, USA ^bSchool of Letters and Sciences, Arizona State University, Mesa, AZ 85212, USA

摘要：质子交换膜燃料电池（PEMFC）的新型流场设计是近年来技术发展的一个比较新的方向。这些新颖的设计有可能不通过水 带动反应气体，实现气体的有效分配，显示出显著的性能提升。优化流场需要平衡气体分布、水管理、电子传输、压力降低和加工性能。计算机流体动力学（CFD）模拟研究是评估自然激励流场设计的有用工具；但是，在实验研究验证之前，应谨慎对待它所给出的预测。利用形式数学算法或对现有自然结构进行启发式修改，可以形成受自然启发的仿生流场设计。本文回顾了PEMFC流场设计的现状，并讨论了评估这些设计所要面临的挑战。

关键词：反应气传输、水传输、仿生流场

1. 介绍

质子交换膜燃料电池是一种将氢和氧转化为电能和水的电化学装置。在所有燃料电池类型中，质子交换膜燃料电池在较低的温度（lt;100 C）下工作，并且展现出相对较高的功率密度，这使得它们适合应用于交通运输行业。燃料电池新能源汽车的引入减少了运输部门对化石燃料的需求，从而减少了温室气体排放和进口外国能源的需求。此外，由于与电池相比，质子交换膜燃料电池具有更高的能量密度，因此也成为便携式电子设备的主要电源。然而，PEMFC必须克服许多与性能、耐用性和成本相关的关键挑战，才能成为在现有技术条件下具有商业可行性的替代品。

双极板目前占了PEMFC的大部分尺寸和重量。板材必须具有物理耐久性、导电性和导热性、气密性和化学惰性。该材料也应易于加工且成本低廉。石墨是最常用的板材。然而，石墨板是易碎的，必须加厚以满足耐久性要求，这增加了成本和重量。还有其他材料也被研究过，包括冲压金属板。这些金属板可以做得很薄，但许多金属材料会受到腐蚀的影响，特别是在高温下同时暴露在氧气和水中是，情况将更加严重。将流场设计成双极板，为反应气体进入反应区创造一条通道。流场设计非常重要，不同设计会导致等效系统之间存在300%的峰值功率密度差异。

流场对PEMFC的性能起着四个关键作用。流场的主要作用是使反应气体均匀分布到反应部位，防止热点形成。热点是燃料电池的一个区域，具有较高的化学反应速率，因此产生更多的热量。如果管理不当，过热会损坏电池。在没有反应物气体发生化学反应的地方也可以形成冷点。这些区域代表电池单元中应消除的低效率点。总的来说，气体的不均匀分布将导致性能下降，同时降低电池寿命。

流场将反应物气体输送到反应部位，但它也必须将产物从反应部位输送出去并从电池中输送出去。PEMFC必须在低于100 C°的温度下运行，因此作为生成物的水主要是液态的。液态水必须被有效地运走，否则稍后会发生堵水，堵塞气体扩散层（GDL）中的孔隙，并限制气体通过通道流动，这些都会降低燃料电池的性能。堵水可以严重降低电池的性能，流场设计对防止堵水现象的发生有重大影响。然而，为了保持质子的导电性，质子膜必须保持水合反应，因此必须保持稳定的水平衡，以获得最佳的燃料电池性能。

图1：Flow field 流场 electrolyte 电解质

GDL 气体扩散层 Catalyst Layer 催化层

流场设计的第三个作用是通过使双极板和气体扩散层之间的接触面积最大化来促进电子的传输。质子交换膜燃料电池中的反应是一个电化学过程，因此必须设计流场，使电子尽可能自由地从反应位置移动到外部电路。图1表明，可以将流场通道视为双极板中的电子绝缘空隙。双极板材料的电阻比气体扩散层低得多，因此优化设计将具有一条从催化剂层的反应点到双极板材料的短路径。这将要求流场通道狭窄，这将增加流道堵水的可能性。流道过窄也会增加气流摩擦。

流场设计的终极要求是将入口到出口的压降降到最低。这是一种评价使反应气体穿过系统所需压力的方法。一定的压力是有益的，因为它有助于将液态水排出系统。如果压降过大，则需要强大的外设气泵来迫使气体通过系统。外设气泵给系统带来额外的复杂性，增加系统的成本和重量。它们还引入了附加负载，从而降低了整体效率。

这是流场设计中的四个主要性能因素。但是，为了使PEMFC具有在商业上可行性，也应考虑加工性能。流场设计应易于加工，并尽量减少对材料要求。因此需要使反应气体分布均匀，输送准确数量的反应水，最大限度地扩大接触面积，减少系统的阻力，同时仍然易于大量生产，这使得优化流场设计成为一项具有挑战性的任务。

图2 各流场示意图:(a)蛇形、(b)平行、(c)平行蛇形、(d)交指、(e)网格(网格、超平行)、(f)螺旋蛇形

流场的几何结构通常是通过其从入口到出口的总路径以及流道的横截面形状、高度和宽度来描述的。标准的设计通常使入口和出口之间产生一条矩形或半圆形截面的流道。图2a-f显示了一些最常见的标准设计，包括蛇形、平行、网格和交指型。蛇形设计的特点是从入口到出口有一条（或多条）长的曲折路径（图2a、c和f）。平行设计从入口到出口有多条路径（图2b）。交指型设计没有从入口到出口的直接路径。相反，反应气体被强制对流到通道并通过电极（图2d）。网状流场基本上是开放式设计，带有销，以便于收集电流（图2e）。每种设计都有优点和缺点。

蛇形流场因其具有高性能表现，成为行业标准。在评估新的设计时，它们通常用作参考设计的标准。单通道设计最大限度地减少了流道中的堵水现象，因为液态水不可能在流道中不随气流排出。这种设计的主要缺点是窄长的通道将产生较大的摩擦力以及驱动气体从入口到出口所需的压力过高。这一问题已经通过使用更小的电池、增加额外的流道和制造平行蛇形流场来缓解。

平行流场的特点通常是采用蛇形流场的相反策略。在平行设计中，从入口到出口有多条平行路径，从而降低了推动反应气体通过系统所需的压力。平行流场通常具有很低的压力损失，因此无需外置鼓风机。这些系统的低压使水滴在流道中积聚，水滴在流道中产生并阻塞流道，从而导致反应气体的不均匀分布。这会导致高温点产生导致系统的寿命降低，而低温点产生导致系统的整体性能和效率降低。平行流场的总体性能通常是最低的。

网格流场是平行流场的一种特殊情况。在平行流道之间打开通道，创建网格状流道。该设计还具有很低的压力损失，同时减少了单个通道排水不畅的问题。在高功率下长时间运行会有大量的水作为副产品产生，这将导致此类系统水淹的情况。一些设计使用金属网格或做成泡沫状来创建多路径环境。这些网格具有很高的导电性，可以用疏水材料制造，以提高水管理能力。不幸的是，金属泡沫和金属网格更容易受到腐蚀，从而导致燃料电池快速失效。

交指流场没有从入口到出口的连续路径。这种设计迫使气体流过扩散层，这助于反应物到达反应地点，具有较好的排水能力。研究表明，交指流场通常比平行流场性能好，但比蛇形流场性能差；然而，这取决于运行条件。交指流场似乎能够比平行流场更能管理好水，且不会形成蛇形流场中那么大的压力降低。

在基本设计上，可以有许多不同的变化。如不同的弯曲角度和参数、通道数、通道高度、宽度或通道横截面形状。其他较不常用的变化方法还包括径向设计、使用斜槽和环形或管状设计。所有这些设计变化旨在满足四个一般性能要求，即气体分布均匀、电气控制效率高、有效的水管理和最小的压降，同时仍易于制造。本综述中描述的最新发展集中在受自然和生物结构启发的设计上。其中许多设计最初是用计算机模型进行评估的，这种实践具有许多优点。

2.流场的计算机流体动力学建模

在PEMFC流场设计评价中，使用计算机模型的主要优点是节省了成本和时间。开发一次性的实验原型可能是一项昂贵的投投，与现有的设计相比，它可能无法提供任何性能改进。计算机流体动力学（CFD）建模是建立PEMFC内气体流动模拟的最常用方法。

这些模拟的核心是一种有限元方法，用于对流体流动的纳维叶－斯托克斯方程进行数值逼近。大量的研究集中在扩展CFD模型以观测燃料电池的特有现象，如电化学反应。现在市场上有可在台式机上运行的PEMFC软件包。商业软件使得这些模型的创建相对简单，可以加快优化设计的过程。这些模拟的输出可以生成有价值的数据，这些数据在实验中很难测量，如图3所示的单元内的热量、电流或压力分布。这些类型的模拟也能够生成传统的性能数据，如图4中的极化曲线。

图3 在0.3V下使用和空气在80 C下100%相对湿度下绘制的轮廓图，用于和常规平行流场设计：（a）和（d）电流分布，（b）和（e）阴极侧的氧分布，以及（c）和（f）阴极流道压力。箭头表示入口和出口。

Cell voltage 电池电压 Current density电流密度

Bio-inspired 生物启发式流场 Parallel 平行流场

图4 用Murray分支定律设计的生物启发流场模拟了PEMFC的性能，在80℃的100%相对湿度下使用氢气和空气以及传统的并行设计。

这项技术非常有用，能够产生有效的结果。但要获得准确可靠的结果仍然是一个重大挑战。我们应了解CFD建模的局限性，以便适当地应用模拟获得有价值的数据。这些模拟通常不能精确地模拟液态水模型，模拟多尺度模型，或者模拟GDL和双极板之间的相互作用。除了难以捕捉某些物理现象外，模拟结果中的错误还可能有许多来源，包括错误或不适当的假设、几何建模错误以及收敛错误。CFD建模也可能是计算密集型的。本综述中给出的所有CFD模拟结果都是针对实时静态的单个电池。虽然有一些局限性，但在PEMFC中，CFD建模最重要的局限性在于无法有效地预测液态水的形成和运动。

液态水会严重降低燃料电池的性能。水可以在流道或GDL中形成大的液滴，从而完全阻止气体流向大面积反应区域。它也能在催化层中形成微小的液滴，阻碍各个反应的发生。由于以下两个原因，在PEMFC模拟中对液态水的形成和输送建模存在较大难度。首先，水的生成是一个动态过程，需要进行动态模拟，这大大增加了计算成本。其次，计算网格必须足够精细，以捕捉单个水滴的运动，这将进一步增加计算成本。已经有人尝试创建多尺度模型，以观察燃料电池中的微观和宏观现象，但到目前为止，他们还无法做出性能预测。在大多数CFD模型简化假设里， PEMFC中的液态水悬浮在气流中，并以与气体相同的速度移动。这一限制条件使得我们有必要对可能出现堵水问题的任何情况进行实验验证。

由于GDL和双极板之间的相互作用，模拟精度也会降低。当压缩时，GDL将变形。这改变了GDL的物理形状、热性能和电性能。学者们已经做了一些工作来理解和模拟气体扩散层和流场之间的相互作用。但到目前为止，它还没有被应用于大多数PEMFC流场模拟中。

只要了解CFD建模的局限性，它就可以成为开发PEMFC流场设计的有力工具。它通常用于研究难以通过实验测量的设计的性能，如气体分布、电流分布、气体速度和压力降低。通过这些预测对电池在实验条件下的表现有一定的了解。CFD模拟是评估新型流场设计的一种经济有效的方法。大量的研究已经使用CFD模型来研究仿生流场设计。

3.源自自然的设计

PEMFC流场设计的天然灵感来源包括分形和生物来源。质子交换膜燃料电池(PEMFC)的分形设计具有在不同尺寸尺度上重复自相似性的特点，并以分支结构为重点。自然界的分形分支模式可以在晶体结构、排水形成的形状、闪电和某些植物中发现。生物灵感来自于植物和动物体内的液体分布系统，如树叶、血管或肺。这些流体和气体分配系统对这些生物体的生命至关重要，而由自然选择驱动的进化往往会推动这些系统在简单性、耐用性和效率之间实现工作平衡。

3.1.分形设计

分形结构在换热器、化学反应器等不同的工程领域得到了广泛的应用。虽然这种应用最初源于构造理论，但从动力学的角度来看，分形结构也是有利的，Kjelstrup等人最近证明了。在热力学理论中，将整个系统的熵产最小化，可以得到最优的热动力效率。对于一个具有足够自由度的复杂系统，可以将全局熵产最小化归结为寻找一个处处局部熵产相同的状态(即所谓的公路路径)。

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)的优化流场设计中，整个流场板的局部熵产必须是恒定的。必须符合下列条件:

1. 压力梯度(x, y)=常数1,(x, y)定义的流场板横向位置,

2. 过电压(x, y)=常数2。过电位被认为是燃料电池中产生的熵的最大贡献

3.活性气体浓度C (x, y)=常数3。

为了满足上述条件，必须尽可能均匀地在双极板输送气体，并尽可能除去产生的水。在传统的蛇形或平行流场中，这些均匀性准则不能很好地满足。在分形结构中，采用了分层多分支输运结构。每个低阶分支都是高阶分支的一个微型版本。图5a为基本的16个出水口设计，在图5b的64个出水口设计中，16个出水口设计为较小的结构。采用分形结构将气体均匀分布在反应区。

多种分形结构在流场中的应用已经投入研究。基于分形的质子交换膜燃料电池流场研究首次发表于2004年。Tuber等人提出了一种利用分形算法计算的多通道分形设计，如图6所示。并与标准的平行设计和蛇形设计进行了性能比较。实验研究结果表明，蛇形流场具有

资料编号：[4631]