趙強(qiáng)，郭航，葉芳，馬重芳

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點實驗室及傳熱與能源利用北京市重點實驗室，北京100124）

引 言

燃料電池可以將燃料的化學(xué)能不經(jīng)過熱功轉(zhuǎn)換過程直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。由于其具有比能量高、清潔高效等特點，越來越多地被應(yīng)用于發(fā)電站、電子設(shè)備、航空航天器、潛艇等領(lǐng)域。質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)陽極一般以潔凈的氫氣為燃料，陰極一般以氧氣（純氧或空氣）為氧化劑。電池運(yùn)行時，陰陽極的反應(yīng)物均通過兩邊的流場板引入，氫氣和氧氣由中間的質(zhì)子交換膜分隔開并在催化劑的作用下分別發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，氫氣分解成質(zhì)子和電子，電子沿著外電路傳輸?shù)竭_(dá)陰極從而產(chǎn)生電流，質(zhì)子則通過質(zhì)子交換膜傳輸?shù)竭_(dá)陰極并與氧氣及陽極傳送來的電子結(jié)合反應(yīng)生成水。

流場板與膜電極組件同為PEMFC 的重要部件。單體燃料電池通常含有陰極和陽極兩個流場板，每個流場板的一面分別形成一個氫氣流場和一個氧氣流場。對于電池堆來說，普遍采用雙極板，氫氣流場設(shè)置在雙極板的一面，雙極板的另一面則設(shè)置氧氣流場。近年來，燃料電池堆正朝著高能量密度的方向發(fā)展，流場板因此變得越來越輕薄化。隔離陰極和陽極反應(yīng)物、提供反應(yīng)氣體流動通道、收集輸出電流和提供膜電極支撐是燃料電池流場板的主要作用，除此以外，燃料電池系統(tǒng)熱量和反應(yīng)生成水的排出也需要流場板。對于流場板的設(shè)計而言，通常包括以下要求[1]：（1）良好的抗腐蝕性；（2）電阻低，導(dǎo)電性良好；（3）控制電池溫度；（4）容易加工成型；（5）質(zhì)量輕；（6）較高的機(jī)械強(qiáng)度；（7）價格低廉。Manso 等[2]指出電池性能的好壞很大一部分取決于流場板，具體影響因素包括：（1）流場板的類型；（2）流體在流場中的流動方向；（3）流道的長度與數(shù)量；（4）流道中添加擋板；（5）流道尺寸等。而這些因素與更加基礎(chǔ)的伴有電化學(xué)反應(yīng)的傳熱、傳質(zhì)、兩相流動及界面現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)[3]。由于流場板承擔(dān)著供氣和排水的作用，流場板上的流道結(jié)構(gòu)不僅直接影響著反應(yīng)氣體向氣體擴(kuò)散層的擴(kuò)散傳質(zhì)以及生成水排出的過程，還間接影響著電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量傳遞與分布過程。燃料電池性能好壞取決于反應(yīng)物以及水熱管理性能，因此，通過對流場板上的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與改進(jìn)來強(qiáng)化內(nèi)部傳質(zhì)與傳熱過程是提升燃料電池性能需要重點考慮的因素，本文將對平行流場、蛇形流場、交指流場、點狀流場、仿生流場以及三維精細(xì)化流場的設(shè)計與研究開展相關(guān)調(diào)研。針對不同流場板類型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究的全面分類闡述。特別地，將闡述蛇形流場的進(jìn)口分配段、U 形拐角，交指流場的流道截面，組合流場的組合形式以及三維精細(xì)化流場的供氣結(jié)構(gòu)對電池性能的影響。

1 基于平行流場的設(shè)計與研究

圖1（a）所示為平行流場，其特點是易于加工，應(yīng)用廣泛，反應(yīng)流體在若干平行流道內(nèi)部流動時壓力損失較小，電流密度分布比較均勻，但是由于其容易造成流場內(nèi)流體分布不均勻以及水淹現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了電池的輸出性能。原因在于，平行流場內(nèi)反應(yīng)氣體進(jìn)入擴(kuò)散層的傳遞方式主要為擴(kuò)散，各平行流道之間的壓差是比較小的，相鄰流道之間的強(qiáng)制對流可以忽略不計。平行流場中流道一般較短，單根流道進(jìn)出口距離比較近，每條流道中反應(yīng)產(chǎn)生的液態(tài)水以及熱量均通過反應(yīng)氣體的吹掃作用帶出。某些壓力損失過大的流道會迫使更多的反應(yīng)氣體流入，這就使得反應(yīng)流體在整個流場分布不均，也造成水熱分布不均的問題，而進(jìn)口分配器的不合理設(shè)計更加劇了這種現(xiàn)象。平行流場中，流道內(nèi)較小的壓差和較差的氣體流動性以及出口匯流器的不合理設(shè)計，都容易導(dǎo)致流道內(nèi)的液態(tài)水不易排出，造成水淹。目前對于平行流場的研究主要集中在如下幾方面。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池常用流場[4]Fig.1 Flow field commonly used in proton exchange membrane fuel cells[4]

（1）在一定的設(shè)計工況下，研究流道幾何尺寸，包括流道寬度和深度、脊的寬度以及開孔率等對燃料電池性能的影響，以期獲得平行流場的最佳尺寸，但是由于研究方法和建模的差異，不同研究人員得出的結(jié)論是不同的。

（2）將流道等截面設(shè)計為特殊形狀或在流道中設(shè)置擋板，以期能夠增強(qiáng)反應(yīng)氣體在流道中的擴(kuò)散傳質(zhì)以促進(jìn)反應(yīng)物的利用，同時研究其對燃料電池性能的影響。

（3）流場進(jìn)口分配段優(yōu)化設(shè)計，改善反應(yīng)流體在進(jìn)入流場之初在各個流道的分配。

（4）設(shè)置各種形式的分流道，研究該結(jié)構(gòu)設(shè)計對燃料電池性能的影響。

1.1 流道尺寸

眾多研究人員對平行流道的幾何尺寸進(jìn)行了研究，以期獲得有利于燃料電池運(yùn)行的最佳尺寸，由于建模和實驗工況的差異，得出的結(jié)論也存在差異。總地來說，當(dāng)流道橫截面形狀尺寸不變時，研究者普遍認(rèn)為應(yīng)該將平行直流道的尺寸設(shè)置在1 mm 以內(nèi)[5-8]，甚至有的認(rèn)為應(yīng)該將尺寸設(shè)置在0.5 mm 以內(nèi)[9-10]，適當(dāng)?shù)臏p小流道尺寸有利于燃料電池性能的提升[11-13]，因為在同樣的氣體流量下，流道尺寸的適當(dāng)減小，會使氣體流速增加，擴(kuò)散層內(nèi)的流速與壓差呈反比關(guān)系，壓差增大會使進(jìn)入擴(kuò)散層和催化層的氣體濃度增加，也增強(qiáng)了流場的排水散熱性能。

在漸變尺寸流道（流道橫截面形狀尺寸在流動方向發(fā)生變化）方面，新源動力股份有限公司[14]發(fā)明了兩種帶有氣體流場的PEMFC陰極板，其平行流道都是屬于變截面的（即楔形流場），包括深度不變、寬度逐漸加寬，寬度不變、深度逐漸加深。相比于傳統(tǒng)的平直流道，漸縮截面可以保持流場流道內(nèi)部對液態(tài)水的推動力，促進(jìn)電池液態(tài)水的排出。李文娟等[15]利用三維非等溫模型，通過數(shù)值模擬進(jìn)行了平行流場與楔形流場的電池性能對比研究。發(fā)現(xiàn)在流道進(jìn)口深度保持不變的情況下，應(yīng)該考慮減小流道出口深度以提高電池的性能，因為縮減流道出口深度會使流體流動速度增大，增強(qiáng)了反應(yīng)流體在流道出口處向氣體擴(kuò)散層的傳遞；當(dāng)進(jìn)口流道寬度保持恒定時，流道出口寬度并不是越大越好，適當(dāng)增大流道出口寬度會增加氣體擴(kuò)散層與氣體的接觸面積，過大的出口寬度反而會因為氣體流速的降低和脊寬的減小使電池性能下降，因此應(yīng)該適當(dāng)增加出口寬度來提高電池性能。張小娟等[16]提出當(dāng)流道寬度和進(jìn)口深度保持恒定時，減小出口深度可以減小電池在高電流密度區(qū)的濃差極化，因此電池性能會獲得一定幅度的提升。Timurkutluk等[17]通過從入口到出口以恒定傾斜度改變通道深度以及寬度來設(shè)計收縮流場。數(shù)值結(jié)果表明，收縮平行流場具有更好的質(zhì)量傳遞和除水特性，電池功率密度最多可提高16%。Song 等[18]設(shè)計了四種不同形式的非線性漸變深度的流道，通過模擬分別研究了其對燃料電池性能產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明減小流道深度可以促進(jìn)和引導(dǎo)反應(yīng)物轉(zhuǎn)移到催化層，避免產(chǎn)生生成水的阻塞；隨著平均流道深度的減小，溫度均勻性變得更好，這也有助于提高電池性能。

在突變截面流道（流道橫截面形狀和尺寸在流動方向某處突然發(fā)生變化）方面，Ramin 等[19]在直流道的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種截面突變，通過三維非等溫模型研究了該突變尺寸對電池性能的影響。發(fā)現(xiàn)截面突變的長度和數(shù)量都存在使PEMFC 性能達(dá)到最優(yōu)的最佳值，截面突變使高速流反應(yīng)氣體迅速產(chǎn)生平行于擴(kuò)散層方向的橫向擴(kuò)張與收縮，能夠增強(qiáng)反應(yīng)氣體向電極的擴(kuò)散能力，優(yōu)化了的突變截面流道改善了陰極催化層上氧和水的分布，使電池陰極過電位減小，電池輸出功率增大。但是，矩形截面突變?nèi)菀桩a(chǎn)生反應(yīng)氣體流動的死角，造成該區(qū)域反應(yīng)生成水的滯留。

1.2 流道截面

一般的平行流道橫截面為等截面矩形，為了促進(jìn)反應(yīng)氣體向擴(kuò)散層的擴(kuò)散傳質(zhì)進(jìn)而提高燃料電池的性能，同時能夠強(qiáng)化排水性能，很多研究者對平行流道的橫截面進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，具體包括：等截面形狀設(shè)計以及擋板設(shè)計。

在等截面形狀設(shè)計方面，馬利軍等[20]利用Fluent 對氫-空PEMFC 進(jìn)行了三維模擬，研究了燕尾形、長圓形以及矩形三種流道橫截面形式對燃料電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)長圓形以及矩形流道截面性能都不如燕尾形，原因在于燕尾形的底面設(shè)計減少了流道底面的黏滯阻力，加快了整體的線流速，對生成水有較好的引流作用，良好的水濃度分布有利于氣體向催化層和擴(kuò)散層的物質(zhì)傳輸，整體上有利于性能的提高，且隨著燕尾形流道深度的增加，燃料電池的性能進(jìn)一步提升。姜丙坤[21]通過模擬與實驗對U 形截面流道和矩形截面流道的研究表明，在相同的過流斷面情況下，U形截面流道壓力降更小，氣體利用率也更高。熊濟(jì)時等[22]通過模擬研究了平行流道五種截面形狀（漸變、矩形、梯形、半圓形以及三角形）對PEMFC性能產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明：流道尺寸漸變迫使氣體收縮，增加了氣體擾動，催化層和擴(kuò)散層界面上的氣體濃度增大，導(dǎo)致電池性能比其他幾何形狀的截面更好。Wawdee 等[23]將平行流道截面設(shè)置為平行四邊形即向下傾斜的通道，陽極向下傾斜流道會引起水合梯度，使水反擴(kuò)散到陽極中，從而能使膜電極組件的多余水及時排出。Intelligent Energy Limited[24]對直流道橫截面進(jìn)行設(shè)計，其平行流道的脊在垂直方向上總體呈波浪狀扭曲且底部近乎連在一起，因此其流道截面總體呈上寬下窄且呈波浪狀扭曲，這有利于反應(yīng)氣體充分與擴(kuò)散層接觸，提高了反應(yīng)物的利用率。

在擋板方面，流道中設(shè)置擋板結(jié)構(gòu)，能夠促進(jìn)反應(yīng)氣體向擴(kuò)散層的擴(kuò)散傳質(zhì)，從而提高電池的性能，但是這種結(jié)構(gòu)一方面會增加氣體流動時的壓力損失，另一方面由于阻擋作用也會影響流道的排水性能，因此對于擋板的設(shè)計應(yīng)充分權(quán)衡利弊。Baden-Württemberg 太陽能與氫能研究中心[25]在每條直流道底部設(shè)置了三塊矩形擋板，相鄰直流道設(shè)置方式分為兩種，一種是對稱設(shè)計，另一種是非對稱設(shè)計，不管哪種設(shè)計其擋板都是等距的，加入的擋板能夠增強(qiáng)流體的擾動，促使流體進(jìn)入擴(kuò)散層參與反應(yīng)，從而提高電池的性能。Winter 等[26]在直流道的側(cè)面也設(shè)計了矩形擋板，加強(qiáng)了反應(yīng)氣體在流道中橫向的擾動，增加了反應(yīng)氣體在流道中的流動距離，相當(dāng)于間接增加了反應(yīng)氣體在流場中的滯留時間。陳莉[27]則在直流道底部設(shè)置了劣弧形狀的波浪形擋板，發(fā)現(xiàn)周期性的漸變式截面，可提升三相反應(yīng)區(qū)表面的反應(yīng)氣體分壓，增強(qiáng)反應(yīng)氣體向氣體擴(kuò)散層的傳遞。Heidary 等[28]通過數(shù)值模擬研究了直通道內(nèi)擋板數(shù)量、高度以及陰陽極流道阻塞對燃料電池的影響，結(jié)果表明：沿5 cm 長通道的五個區(qū)塊的陰極側(cè)流道完全堵塞，使燃料電池凈功率增加了30%，其原因是在流道的橫截面被完全阻塞的情況下，剩下的唯一使氧氣繼續(xù)流動的途徑是跨過阻塞區(qū)域通過擴(kuò)散層多孔區(qū)域的擴(kuò)散，提高了催化層上氧氣的濃度；由于氫的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氧氣的擴(kuò)散速率，陽極擋板堵塞不會使燃料電池性能得到實質(zhì)的提升；阻塊數(shù)量適度增加會提高電池性能和極限電流密度。Chen 等[29-30]首先在矩形擋板的基礎(chǔ)上，加入了流線迎風(fēng)側(cè)和傾斜的背風(fēng)側(cè)，在繼承矩形擋板可增強(qiáng)反應(yīng)物向氣體擴(kuò)散層傳遞優(yōu)勢的同時，可以減少反應(yīng)物的流動阻力和擋板背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生的渦流，從而增強(qiáng)排水作用，也進(jìn)一步提高了電池的凈功率。其次，在擋板和擴(kuò)散層中間加入了多孔材料，進(jìn)一步增強(qiáng)了氣體到擴(kuò)散層以擴(kuò)散傳質(zhì)為主導(dǎo)的傳遞過程，為了保持高電流密度和降低泵工，提出對同一流道中沿流動方向不同位置擋板上設(shè)置孔隙率逐漸增加的多孔擋板。

1.3 進(jìn)口分配段

反應(yīng)流體在進(jìn)入平行流場之初的分布狀態(tài)，決定了其在流場中流動的分布狀態(tài)以及在流道中的擴(kuò)散狀態(tài)，優(yōu)化反應(yīng)流體在進(jìn)入流場之初的分配是提高燃料電池性能首先需要考慮的因素，因此許多研究著眼于反應(yīng)流體進(jìn)口分配段的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

對于平行流場來說，在進(jìn)口和出口通常設(shè)置相同大小尺寸的總管或者空腔，由于反應(yīng)過程中會產(chǎn)生水以及熱量，這種進(jìn)出口結(jié)構(gòu)設(shè)計可能不利于反應(yīng)流體在流場中的分配均勻性，同時還間接影響著流場的排水散熱性能。對于進(jìn)出口區(qū)域大小的設(shè)計，新源動力股份有限公司[31]發(fā)明了一種非對稱結(jié)構(gòu)的燃料電池極板，其陰陽極采用的都是平行流場，特點在于陰陽極出口面積大于陰陽極進(jìn)口面積，提高了電池內(nèi)部陰陽極反應(yīng)物的分布均勻性，同時也保證了電流密度和熱量的均勻分布，從而使各單電池輸出性能的一致性也得到提高。熊承盛等[32]研究了Z 形流場（流體進(jìn)出口同向）的進(jìn)口分配段與出口匯流段寬度對陰極氧氣濃度分布產(chǎn)生的影響。研究表明：當(dāng)進(jìn)氣量不變時，增加出口匯流段寬度和進(jìn)口分配段寬度會使氧氣分布產(chǎn)生截然不同的效果，前者不僅增加了中間流道的壓差，并且使流道中的壓差變得更加均勻，有利于氧氣的輸送，因此氧氣分布更加均勻且濃度更高，而后者反而會因為氣體流速降低，流道中壓差變得更加不均勻使氧氣分布均勻性變差。

圖2 逐步分流平行流場[33]Fig.2 Gradually split parallel flow field[33]

圖3 進(jìn)口帶有微分配器的平行流場[34]Fig.3 Parallel flow field with micro-distributor[34]

為了合理分配反應(yīng)氣體，除了對進(jìn)口分配段的尺寸設(shè)計，還需要考慮進(jìn)口分配段的形式。王晶晶[33]采用CFD 方法對入口幾何形狀的設(shè)計如圖2 所示，該平行流場入口通過逐步分流和設(shè)置微流道緩沖區(qū)增強(qiáng)了反應(yīng)流體在進(jìn)入流場時的均布性。Liu等[34]設(shè)計的平行流場板創(chuàng)新性在于其將流場進(jìn)口各流道設(shè)置了微分配器，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。并且通過CFD 模擬研究發(fā)現(xiàn)微分配器的設(shè)置能夠有效提高流動分布的均勻性，當(dāng)減小微分配器的尺寸時，子流道之間的壓降的相對差值大大減小，對于給定的反應(yīng)氣體流量，由于流量與子流道中的壓降呈正比，微分配器尺寸的減小會減小子流道之間的流量差，提高子流道上流量分配的均勻性；與蛇形流場相比，具有微分配器的平行流場使得燃料電池能夠提供幾乎相當(dāng)?shù)妮敵鲂阅?，但是會增大壓力損失。用不同排布形式的點狀流場作為緩沖區(qū)以提高反應(yīng)氣體在進(jìn)入流場時的均勻性為不少研究者所關(guān)注。進(jìn)口為點狀流場的分布可以使反應(yīng)氣體從阻力較小的區(qū)域流過，不同結(jié)構(gòu)點塊與排列的設(shè)計可以引導(dǎo)反應(yīng)氣體向特定區(qū)域流動與擴(kuò)散，合理的進(jìn)口點狀流場設(shè)計可以減小反應(yīng)氣體進(jìn)入各流道的分配不均勻性，同時壓降又不至于顯著增大，但是進(jìn)口分配器中插入障礙物會使反應(yīng)流體分配的不均性對質(zhì)量流量的依賴性更大。徐煜[35]發(fā)明的平行流道進(jìn)出口加入了不同形式的圓柱形點狀流場作為進(jìn)口緩沖區(qū)，而Volkswagen Ag[36]則設(shè)置了矩形點狀流場作為進(jìn)出口緩沖區(qū)；Intelligent Energy Limited[37]發(fā)明了兩種平行流道進(jìn)口緩沖分配結(jié)構(gòu)，第一種為短平行流道與圓柱凸起，第二種為兩段較短的平行流道加圓柱形和不規(guī)則橢圓凸起。Ford Motor Company 等[38]發(fā)明的平行流道入口和出口分別加了兩段整流擋板，分別是平行流道和與平行流道垂直的較短擋板。而Dabiri 等[39]設(shè)計了四種平行流場板入口流體緩沖區(qū)，其實質(zhì)上是一系列小圓柱凸起的四種不同排列。數(shù)值模擬研究表明：該四種緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)（如圖4所示），尤其是后兩種，能夠使反應(yīng)流體的流動變得更加均勻。

圖4 平行流場進(jìn)口緩沖區(qū)[39]Fig.4 Parallel flow field inlet buffer[39]

1.4 流道布置

一般的平行流場在進(jìn)口分配段和出口匯流段之間，其流道相互平行且無特殊的布置方式，由于容易出現(xiàn)散熱效果差、反應(yīng)流體分布不均以及水淹等現(xiàn)象，因此基于平行流場的特殊布置便顯得極為重要。相比于傳統(tǒng)的縱向長流道，江蘇新源動力有限公司[40]發(fā)明的流場板改為采用與寬度方向平行的流道，因此流道長度會變短，但是流道數(shù)量會增加，采用此種流道會使流體流動阻力減小，能夠比較大限度地利用采集空氣，同時增強(qiáng)了散熱效果，但這會增加進(jìn)出口結(jié)構(gòu)的長度，容易使進(jìn)入流場的氣體分配不均。Li[41]設(shè)計的PEMFC 陰極板，上下邊緣直流道中間都有一塊幾乎貫穿流道始終平行于流道的分流擋板，反應(yīng)流體在流道中經(jīng)過此擋板分隔，分為兩路。平行直流道采用此種結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于是設(shè)置了分流道，即一根主流道在流場中間分為兩根子流道，能促進(jìn)反應(yīng)氣體的平均分配。Hydrogenics Corp[42]發(fā)明了一種中央部分具有分支的平行直流道（如圖5 所示），相當(dāng)于在減小流道尺寸的同時提高了流道在流場中的數(shù)量，促進(jìn)了反應(yīng)物的均勻分布。Qiu 等[43]利用不銹鋼薄板制作了該形式的平行流場板，中間區(qū)域帶有若干組分流道，通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)操作500 h 期間電池僅發(fā)生0.026 mA/h 的微小性能退化。Lim 等[44]通過建模分析并總結(jié)了傳統(tǒng)和改進(jìn)平行流場設(shè)計對電池性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，分流道造成的多級流量分布可以實現(xiàn)反應(yīng)物和壓降的均勻分布，流道寬度從進(jìn)口到中間部分逐漸減小，流道分支數(shù)量逐漸增多，可以促使反應(yīng)流體從主流道進(jìn)入各級分流道，流道寬度從中間部分到出口區(qū)域又逐漸增大，可以產(chǎn)生較大的壓降，有助于均勻的流量分配和生成水的排出。因此反應(yīng)物的利用程度會得到一定的增加，電流密度分布也會更加均勻，電池的性能會得到提升。

圖5 具有分支的平行流場[42]Fig.5 Parallel flow field with branches[42]

綜上所述，基于平行流場的設(shè)計與研究主要包括流道尺寸、流道截面、進(jìn)口分配段和流道布置四個方面，具體的設(shè)計方向與內(nèi)容、改善因素與結(jié)論總結(jié)在表1 中。在一定設(shè)計工況下，基于流道尺寸主要研究了當(dāng)流道截面從流場入口到出口不變時不同流道寬度、深度以及脊寬對電池性能產(chǎn)生的影響，眾多研究表明將平行流道的尺寸設(shè)置在1 mm以內(nèi)，適當(dāng)減小流道尺寸，且流道在流場中越致密越有利于燃料電池性能的提升；同時當(dāng)流道尺寸從流道入口到流道出口發(fā)生漸變和突變時，研究也表明能夠在一定程度上增強(qiáng)反應(yīng)物向氣體擴(kuò)散層的擴(kuò)散傳質(zhì)，從而提高電池的電流密度和功率密度?；诹鞯澜孛娴脑O(shè)計，一方面流道截面的幾何形狀不僅限于矩形，通過改進(jìn)流道截面起到降低流場壓降、改善水管理等作用；另一方面，流道中不同形狀擋板結(jié)構(gòu)的設(shè)置在增強(qiáng)反應(yīng)物擴(kuò)散傳質(zhì)提高電池性能的同時可能會增加壓力損失，不當(dāng)?shù)膿醢逶O(shè)計還會不利于排水，因此需要綜合考慮多種因素確定擋板布局。在流道布置方面，各種結(jié)構(gòu)的分流道設(shè)計相比直通流道設(shè)計可使反應(yīng)物在流場中的分配均勻性得到改善，反應(yīng)物的利用率因此也會提高。在進(jìn)口分配段設(shè)計方面，微分配器和緩沖區(qū)的設(shè)置能夠改善反應(yīng)物進(jìn)入流場之初在各個流道內(nèi)的分布狀態(tài)。

2 基于蛇形流場的設(shè)計與研究

圖1（b）所示的蛇形流場為PEMFC 的常見流場，針對于該類流場的研究和應(yīng)用比較多，蛇形流場有單通道和多通道之分。一般來說，蛇形流場的擴(kuò)散速度控制傳質(zhì)速度。除了反應(yīng)氣體在流道中與擴(kuò)散層之間普通的擴(kuò)散傳質(zhì)以外，因為蛇形流場的進(jìn)出口距離一般較長，流道的進(jìn)出口壓差比較大，相鄰流道間的壓差還容易使反應(yīng)氣體經(jīng)過肋下對流進(jìn)入相鄰流道；蛇形流道流速較高，壓差較大，當(dāng)燃料電池生成較多水時，它能夠快速排出，從而避免水淹現(xiàn)象的發(fā)生。蛇形流道中產(chǎn)生的熱量，由反應(yīng)氣流自上游向下游沖刷而帶走，上游反應(yīng)氣體相對充足產(chǎn)熱量多，而下游反應(yīng)氣體相對不足產(chǎn)熱量少。當(dāng)蛇形流場中流道過長時，蛇形流道會使流體由進(jìn)口到出口的壓力損失大大增加，反應(yīng)物的消耗會造成電流密度由流道進(jìn)口到出口的分布不均，由此也會造成熱量分布不均。針對蛇形流場的設(shè)計研究與平行流場類似，主要集中在以下幾個方面。

（1）在一定設(shè)計工況下，研究蛇形流道尺寸對燃料電池性能產(chǎn)生的影響，性能影響規(guī)律與平行流場類似。

（2）對流道的截面進(jìn)行設(shè)計，研究新的截面設(shè)計對燃料電池性能的影響，截面設(shè)計通常包括：等截面形狀、擋板等。

（3）著重于流場進(jìn)口分配段設(shè)計，優(yōu)化反應(yīng)流體在進(jìn)入流場之初在各個流道的分配。

（4）蛇形流場中U 形拐角結(jié)構(gòu)會影響反應(yīng)流體的速度分布以及電池的排水性能，因此部分研究著手流道U 形拐角的結(jié)構(gòu)設(shè)計對燃料電池性能的影響。

（5）蛇形流道特殊布置方式對燃料電池性能影響的研究，通常包括分流道和分區(qū)流場。

表1 平行流場的設(shè)計與研究Table 1 Design and research of parallel flow field

2.1 流道尺寸

和平行流場類似，蛇形流道尺寸同樣影響著燃料電池的性能以及排水、散熱效果，表2列出了本部分的研究結(jié)果，整體來看，流道尺寸越小[46-48]，在流場中越密，在不改變流場板尺寸與流道長度的情況下開放通道面積越大[50]，越有利于電池性能的提升。因為在保持開放通道面積不變的情況下，適當(dāng)縮小流道尺寸，意味著流道變得更致密，增加了流道和拐角的數(shù)量，流道拐角由于存在對反應(yīng)流體的阻塞效應(yīng)會使局部電流密度增加；同時對于蛇形流場來說，相鄰流道的壓差遠(yuǎn)高于沿流動方向的壓差，這導(dǎo)致通過兩個相鄰流道之間的脊下對流增強(qiáng)，脊下對流不僅增強(qiáng)了氣體向擴(kuò)散層的輸送，也有助于多孔層中液態(tài)水的排出；在相同的反應(yīng)物入口流速下，反應(yīng)物入口速度隨通道尺寸的減小而增加，這會增加電池入口區(qū)域中的局部電流密度；減小的溝道和脊的尺寸也改善了電池中電流密度分布的均勻性；另外，入口流速的增加增強(qiáng)了電池去除液態(tài)水的能力并減少了水淹現(xiàn)象。因此，隨著流道尺寸的減小，電池性能提高。目前研究較多的依然是單蛇形流道最佳尺寸，針對于蛇形流道數(shù)目與流道尺寸的最佳匹配問題的研究依然較少，但是這方面無疑是需要去加以深入研究的。

表2 蛇形流場的設(shè)計與研究Table 2 Design and research of serpentine flow field

在漸變尺寸方面，新源動力股份有限公司[14]設(shè)計了寬度逐漸變窄的三通道蛇形流場，該漸縮流道有利于電池內(nèi)部液態(tài)水的及時排出從而避免了水淹現(xiàn)象的發(fā)生，較好的水管理能使燃料電池平穩(wěn)運(yùn)行較長的時間。趙勝男[53]通過實驗研究了不同深度的單蛇形流道對燃料電池性能產(chǎn)生的影響，四種流道深度分別為：1 mm、2 mm、入口2 mm 到出口0.9 mm 逐漸減小、入口0.9 mm 到出口2 mm 逐漸增大。當(dāng)流道深度由入口到出口逐漸減小時，電池性能最好；而當(dāng)流道深度由入口向出口逐漸增大時，電池的阻抗小。林林等[54]利用簡化共軛梯度法和三維PEMFC 數(shù)學(xué)模型研究了單蛇形流道最佳高度參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)蛇形流場中間流道尺寸逐漸減小而出口流道尺寸逐漸增大時，電池的性能最好，且其性能比普通蛇形流場高出11.9%。漸縮型流道增加了反應(yīng)氣體沿流動方向的流動速度，因此可以更有效地將反應(yīng)生成的水排出，從而降低了氧氣向陰極擴(kuò)散層和催化層的傳遞阻力。并且，漸縮型流道改善了反應(yīng)氣體在脊下方的速度分布，增強(qiáng)了沿流動方向的脊下對流效應(yīng)，電池性能得到提高。對于出口流道，由于脊下對流效應(yīng)過強(qiáng)，可能會使反應(yīng)氣體直接竄流到相鄰流道造成“短路”，因此將其改成漸擴(kuò)型反而會使電池性能進(jìn)一步提高。

2.2 流道截面

一般的蛇形流道截面是等截面矩形，為了增強(qiáng)燃料的擴(kuò)散作用以及排水效果，類似于平行流道的截面設(shè)計同樣適用于蛇形流道，通常也包括截面形狀設(shè)計以及擋板設(shè)計。

在等截面形狀設(shè)計方面，F(xiàn)reire 等[55]通過實驗研究了當(dāng)蛇形流道截面分別為矩形和梯形時，不同操作參數(shù)對電池性能的影響。研究表明：當(dāng)系統(tǒng)中的水含量高時，梯形截面的設(shè)計減少了流道底面的黏滯阻力，加快了反應(yīng)流體在流動方向上整體的線流速，對反應(yīng)生成水有較好的引流排除作用，梯形截面的高除水能力會對電池在高電流密度區(qū)性能產(chǎn)生積極影響；當(dāng)電池中的水含量低時，梯形截面反而會使膜的水合效率降低，而矩形截面的蛇形流道對電池的除水性能影響可以忽略不計。

在變截面形狀設(shè)計方面，Shen 等[56]通過實驗研究了單蛇形流道中排布緊密程度不同的矩形擋板對電池性能的影響，隨著擋板堵塞的增加，氣體速度與陰極濃度梯度之間的平均協(xié)同角減小，有效傳質(zhì)系數(shù)得到提高，從而改善了PEMFC 的性能。Ebrahimzadeh 等[57]利用雙蛇形流道模擬了三角形、圓柱形、方形和梯形四種擋板對電池的影響，結(jié)果表明，三角形擋板在產(chǎn)生的電流密度和壓降方面具有最佳性能。王傳賓[58]通過模擬研究了蛇形流場單流道與多流道中波紋形擋板對PEMFC性能的影響，發(fā)現(xiàn)設(shè)置波紋形擋板的單流道蛇形流場與多流道蛇形流場都有利于氣體的擴(kuò)散傳質(zhì)，原因在于當(dāng)反應(yīng)氣體在設(shè)置波紋形擋板的流道中流動時，氣體與波紋形擋板的周期性碰撞使氣體產(chǎn)生垂直流動方向的法向速度，進(jìn)入擴(kuò)散層的氣體增多，當(dāng)擋板個數(shù)增加時，隨著氣體在流動方向上周期性的收縮擴(kuò)張增強(qiáng)，垂直于擴(kuò)散層截面的法向平均速度增大，擴(kuò)散層內(nèi)對流逐漸增強(qiáng)，能促進(jìn)陰極催化層生成的水及時排出，因此PEMFC 性能相對較好。Kuo 等[59]通過數(shù)值模擬研究了具有波浪壁面的流道對傳質(zhì)的影響。與傳統(tǒng)的直通氣流通道相比，所提出的氣流通道的波浪狀幾何形狀使Nusselt 數(shù)增加了約2倍。周期性波紋狀結(jié)構(gòu)增加了通道中的氣體流速，改善了催化反應(yīng)性能。Yan 等[60]設(shè)計了一種三維梯度波紋形流場，即從流道進(jìn)口到出口波紋擋板高度和周期逐漸增大，研究發(fā)現(xiàn)該流場在高電流密度下凈功率提高了114%。

2.3 進(jìn)口分配段

蛇形流道由于在流場中具有較多的拐角結(jié)構(gòu)，和平行流道相比，即使多蛇形流道進(jìn)出口區(qū)域仍然較小，由進(jìn)口結(jié)構(gòu)造成的反應(yīng)流體分配影響較小，因此其進(jìn)口設(shè)計一般沿用平行流道的進(jìn)口設(shè)計。上海交通大學(xué)[61]發(fā)明的蛇形流場板特點在于流場的氣體出入口附近設(shè)置半高脊和半深槽[圖6(a)]，有利于氣體根據(jù)壓差變化通過竄流進(jìn)入各流道，優(yōu)化了反應(yīng)氣體在進(jìn)入蛇形流道之初的分配。Belchor等[62]為了改善PEMFC 的水管理性能，設(shè)計了進(jìn)出口帶有擋板的蛇形流場板和個別出口封閉的蛇形流場板，通過在三種不同濕度條件下的實驗對這兩個流場板進(jìn)行了評估。實驗表明：在低加濕條件下，進(jìn)出口帶有擋板的蛇形流場板表現(xiàn)出更好的性能，原因在于個別流道出口封閉能夠增強(qiáng)反應(yīng)流體的脊下對流效應(yīng)，反應(yīng)氣體進(jìn)入擴(kuò)散層傳遞作用增強(qiáng)，同時，在低產(chǎn)水量條件下，由于某些流道連接到進(jìn)氣口而不連接到排氣口，避免了系統(tǒng)中水的排出，維持了膜的潤濕性，高效的質(zhì)子傳輸速率可以提升電池的性能。Wang 等[63]設(shè)計了三種形式的帶有擋板的蛇形流場，擋板可完全封閉蛇形流道，因此會形成交指結(jié)構(gòu)。三維模擬結(jié)果表明：在高電壓情況下，傳統(tǒng)蛇形流場與帶有擋板的蛇形流場對電池性能影響相當(dāng)；在低電壓情況下，帶有擋板的蛇形流場性能要好于傳統(tǒng)蛇形流場，因為擋板設(shè)計能夠增強(qiáng)肋下對流。值得注意的是，蛇形流場本身壓降就比較大，增加擋板結(jié)構(gòu)或形成交指結(jié)構(gòu)都會進(jìn)一步增加壓力損失，影響反應(yīng)物的流動與排出。

2.4 U形拐角

圖6 設(shè)置半高脊、半深槽的蛇形流場[61]Fig.6 Serpentine flow field with semi-high ridge and semi-deep groove[61]

由于蛇形流場具有較多的U 形拐角結(jié)構(gòu)，會影響反應(yīng)流體在轉(zhuǎn)彎之后的速度分布、壓力分布以及流場的除水能力等，為了強(qiáng)化反應(yīng)流體在經(jīng)過U 形拐角后的分配與擴(kuò)散，增強(qiáng)排水性能，有很多人針對拐角結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計與研究。傳統(tǒng)的蛇形流場其拐角結(jié)構(gòu)為直角形式的等高矩形截面，如圖6（b）所示。上海交通大學(xué)[61]在蛇形流道拐角處最內(nèi)側(cè)設(shè)置的半高脊有助于疏通氣流盲道，同時有利于減小蛇形流道的壓力損失。Utc Power Corp 等[64]則是將蛇形流道U 形拐角處加入圓柱形凸臺設(shè)計，使反應(yīng)流體在拐角處能夠經(jīng)過導(dǎo)流塊的分散再次均勻分布到各個流道。Chang 等[65]在蛇形流道的U 形拐角處加了若干條貫通流道，即允許各蛇形流道流體在轉(zhuǎn)彎處竄流到其他蛇形流道，此設(shè)計能夠優(yōu)化反應(yīng)流體的再分配，強(qiáng)化傳質(zhì)，提高反應(yīng)物利用率。Liu等[66]通過數(shù)值模擬研究了蛇形流道U 形拐角處外壁面傾斜角度對流道排水性能的影響。在拐角處外壁面傾斜的改進(jìn)流道中（圖7），當(dāng)液滴到達(dá)斜坡壁之后，由于傾斜角為鈍角，液滴的動量方向部分轉(zhuǎn)換為指向底部的方向，從而促使液滴擴(kuò)散到傾斜壁面上。然后，隨著進(jìn)一步的移動，液滴從MEA 表面完全脫離并成功降落在流道底部，然后在氣流的剪切力作用下向下游傳輸，而不再接觸MEA 表面。綜合考慮壓降、除水以及運(yùn)輸效率時，外壁面傾斜的U形拐角具有與直通道相同的截面積是理想的。傾斜角應(yīng)足夠大，以確保液滴不會從通道底部回彈到膜電極組件表面，同時傾斜角度不應(yīng)過大，否則會降低水的去除和運(yùn)輸效率并增加壓降。流道壁面接觸角、傾斜角和氣體流速是影響排水性能的三個重要因素。Jaruwasupant 等[67]提出了一種預(yù)測速度分布和壓降的三維數(shù)值模擬方法，研究了蛇形流道四種通道U形拐角曲率（內(nèi)外壁面均為直角、內(nèi)圓角外直角、內(nèi)直角外圓角、內(nèi)外均為圓角）對電池產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)氣體分布的最佳通道曲率為直角形式的U 形拐角，因為較高的氣體分布出現(xiàn)在上部曲線上，而較低的氣體分布出現(xiàn)在底部曲線上，氣體避讓區(qū)域位于底部中心。因此它具有二次流動和較高的氣流面積，但是速度和壓降也較高。

2.5 流道布置

為了減小蛇形流場因流道過長而造成的壓降過大和流體分配不均，針對于傳統(tǒng)蛇形流場的布置與研究也較多。在分流道方面，BYD Company Ltd[68]發(fā)明的蛇形流場板陰極板入口分為四條流道，在經(jīng)過第一個轉(zhuǎn)彎處時合并成兩條流道，在靠近出口的最后一個轉(zhuǎn)彎匯合成一條流道；對于陽極流道來說，其入口分為兩條流道，在經(jīng)過第一個轉(zhuǎn)彎處合并成一條流道，優(yōu)化了反應(yīng)流體在流場中的分配。Canfield[69]發(fā)明的蛇形雙極板，特點在于將流體的進(jìn)出口設(shè)置在了極板的中部，流體從進(jìn)口開始分成兩路流入兩側(cè)的蛇形流道，兩側(cè)的蛇形流道在經(jīng)過第一個轉(zhuǎn)折后匯集到一起。同時在靠近出口處，蛇形流道又分為兩路從兩側(cè)流入中間的出口，在提高有效利用面積的同時減小了壓降。除此以外，在分區(qū)流場方面，Abdulla 等[70]設(shè)計了三分區(qū)蛇形流場，發(fā)現(xiàn)該蛇形流場可以增強(qiáng)U 形彎曲的交叉流動，避免水淹的同時增強(qiáng)了氧氣的補(bǔ)充。Min 等[71]則設(shè)計了如圖8 所示的九分區(qū)蛇形流場，該流場結(jié)構(gòu)可以增加蛇形流場的拐角數(shù)量同時減小拐角距離，多拐角可以產(chǎn)生更強(qiáng)的二次流，短距離的多段拐角有利于增強(qiáng)肋下對流，改善了電池的性能。

圖7 U形拐角外壁面傾斜的蛇形流場[66]Fig.7 Serpentine flow field with curved outer wall[66]

圖8 九分區(qū)蛇形流場[71]Fig.8 Nine-part serpentine flow field[71]

綜上所述，基于蛇形流場的設(shè)計與研究主要包括流道尺寸、流道截面、進(jìn)口分配段、U 形拐角以及流道布置五個方面，內(nèi)容總結(jié)如表2 所示。在流道尺寸設(shè)計方面，和平行流場相似，蛇形流道尺寸同樣影響著燃料電池的性能以及排水散熱效果，流道尺寸越小，在流場中越密，開放面積越大，越有利于電池性能的提升；不同形式的漸變尺寸設(shè)計對電池產(chǎn)生的影響是不同的，其能夠在不同程度上改善電池的水管理或電性能。在流道截面設(shè)計方面，擋板的設(shè)置促進(jìn)了氣體向氣體擴(kuò)散層的擴(kuò)散傳質(zhì)。在進(jìn)口分配段設(shè)計方面，半高脊和擋板兩種完全不同的設(shè)計對電池產(chǎn)生了不同的積極影響，半高脊改善了反應(yīng)物在進(jìn)入流場時的分配，進(jìn)口擋板則增強(qiáng)了肋下對流。由于蛇形流場具有較多的U 形拐角結(jié)構(gòu)，會影響反應(yīng)流體在轉(zhuǎn)折之后的速度分布、壓力分布以及流場的除水能力等。為強(qiáng)化反應(yīng)流體在轉(zhuǎn)折后的分配與擴(kuò)散，增強(qiáng)排水性能，部分研究者采用了半高脊、貫通流道以及傾斜壁面等結(jié)構(gòu)設(shè)計。在流道布置方面，分流道和多分區(qū)蛇形流場可改善反應(yīng)物的分配，增強(qiáng)擴(kuò)散傳質(zhì)，提高水管理性能。

3 基于交指流場的設(shè)計與研究

圖1（c）所示為交指流場，交指流場是一種流道間斷的流場，間斷流道迫使流體強(qiáng)制對流進(jìn)入擴(kuò)散層，帶動了擴(kuò)散層空隙內(nèi)液態(tài)水的流動與排出，因此提高了反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的傳輸速率，使電池的功率密度獲得提升。流動的液態(tài)水和反應(yīng)物與擴(kuò)散層發(fā)生對流換熱，帶走反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。但該流場也會增加進(jìn)出口壓降，這是因為斷續(xù)的流道結(jié)構(gòu)本身存在的阻力較大，嚴(yán)重時可發(fā)生反應(yīng)流體與生成水的阻塞滯留現(xiàn)象，同時會導(dǎo)致局部過熱。反應(yīng)流體過高的流速容易對擴(kuò)散層造成較大的沖擊而損壞擴(kuò)散層。單純針對交指流場的研究較少，主要分為兩類：（1）研究交指流場尺寸，包括恒定與漸變流道寬度、脊寬對燃料電池性能的影響；（2）對交指流場截面進(jìn)行設(shè)計，通常包括等截面形狀設(shè)計和在流道中設(shè)置擋板，以研究對燃料電池性能產(chǎn)生的影響。

在尺寸方面，Guo 等[72]設(shè)計了一個交指流場并應(yīng)用紅外成像技術(shù)觀察了電池在運(yùn)行時的溫度分布，膜電極陽極側(cè)表面的最高溫度出現(xiàn)在兩側(cè)通道的底部，而最低溫度出現(xiàn)在靠近中間通道入口的區(qū)域。流場分布不均勻是導(dǎo)致交指流場溫度分布不均勻的一個關(guān)鍵因素。因為交指流場的兩側(cè)通道由于高流速更有利于質(zhì)量傳遞，兩側(cè)區(qū)域的電化學(xué)反應(yīng)也更充分，局部電流密度更高。孫紅等[73]從伏安、阻抗、電容特性等角度通過實驗研究了交指流場脊寬對PEMFC產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果表明：增大交指流場脊寬會使燃料電池性能獲得提升，原因在于寬度更大的脊會使進(jìn)入擴(kuò)散層與催化劑接觸的氣體增多，同時還會增加與膜電極的接觸，減小歐姆阻抗。北京工業(yè)大學(xué)[74]發(fā)明了一種非對稱交指流場，該流場的進(jìn)口流道寬度大于出口流道寬度，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓保持不變時，燃料電池輸出的最大功率密度和電流密度都會顯著增加。在此基礎(chǔ)上，Zhang 等[75]通過實驗發(fā)現(xiàn)交指流場出口流道越窄，雖然會使歐姆阻抗略有增加，但是由于電化學(xué)活性區(qū)的增加會使燃料電池性能得到提高。王科[76]利用三維數(shù)值模擬模型以及實驗研究發(fā)現(xiàn)交指型流道比直流道性能更好，但是交指型流道進(jìn)出口壓差更大。BYD Company Ltd[68]提出了一種流道截面逐漸變寬的交指型流場，相比傳統(tǒng)等截面交指型流場，該流場結(jié)構(gòu)能降低壓力損失，提高反應(yīng)物利用率。

圖9 中間帶有擋板的交指流場[78]Fig.9 Interdigitated flow field with baffles[78]

在截面設(shè)計方面，Univ Ramot At Tel Aviv Ltd[77]將交指流道截面采用雙重凹槽的形式，該流場板結(jié)構(gòu)能夠在盡量減少壓力損失的同時提高反應(yīng)物的利用率，從而使燃料電池的持續(xù)輸出性能得到提高。Thitakamol 等[78]在傳統(tǒng)交指流場的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種圖9所示中間帶有擋板的交指流場并通過實驗研究了該新型設(shè)計與傳統(tǒng)交指流場的性能對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣用作陰極反應(yīng)物時，具有擋板的交指流場性能是傳統(tǒng)交指流場性能的1.2～1.3倍，且其極限電流密度也更大；當(dāng)氧氣用作陰極反應(yīng)物時，該新型流場與傳統(tǒng)交指流場性能相當(dāng)。Ku 等[79]介紹了一種新型的交指流場內(nèi)長方體擋塊的設(shè)計，通過仿真和實驗驗證發(fā)現(xiàn)，增加長方體擋塊數(shù)量可以提高電池性能，原因在于隨著擋塊數(shù)量的增加可以迫使氣體流入氣體擴(kuò)散層和催化層，以增加在催化劑層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的可能性。但交指流場本身壓降較大，擋板結(jié)構(gòu)設(shè)置更應(yīng)考慮其對流場壓力損失以及排水性能的影響。

綜上所述，針對交指流場的設(shè)計方向與研究內(nèi)容總結(jié)在表3中，在尺寸設(shè)計方面，應(yīng)該通過增加流道寬度、脊寬以及開孔率以提高燃料電池的性能。在截面設(shè)計方面，擋板結(jié)構(gòu)同樣能夠增強(qiáng)反應(yīng)物向氣體擴(kuò)散層的擴(kuò)散傳質(zhì)，但應(yīng)考慮其對流動阻力的影響。

4 基于點狀流場的設(shè)計與研究

圖1（d）所示為點狀流場，在這種流場中反應(yīng)氣體壓降很小，合理的點塊布置形式會引起反應(yīng)氣體不斷地收縮擴(kuò)張，增強(qiáng)了反應(yīng)流體的擾動，反應(yīng)氣體向擴(kuò)散層的擴(kuò)散傳質(zhì)過程增強(qiáng)。不斷發(fā)生擾動的反應(yīng)氣體沿流動方向平鋪流動，帶走反應(yīng)生成的水，反應(yīng)流體與擴(kuò)散層充分接觸，通過與擴(kuò)散層發(fā)生大面積的對流換熱將流場中的熱量帶出。但是由于反應(yīng)氣體傾向于從阻力較小的流道流過，導(dǎo)致反應(yīng)氣體在流道中分布不均勻。不合理的點塊設(shè)計，可能會使反應(yīng)氣體在一些區(qū)域形成渦流，造成燃料的短路。過小的壓降容易使電池的排水散熱性能受到影響。

圖10 一種點狀流場板[80]Fig.10 Spot flow field plate[80]

表3 基于交指流場的設(shè)計與研究Table 3 Design and research based on interdigitated flow field

上海恒勁動力科技有限公司[80]的設(shè)計如圖10所示，點塊形狀類似于彎月狀。該點塊的凹凸結(jié)構(gòu)可以使反應(yīng)流體經(jīng)過分流均勻地分布于流場中，同時也增強(qiáng)了反應(yīng)流體的擴(kuò)散傳質(zhì)，優(yōu)化了水管理性能。上?？朴脵C(jī)電設(shè)備有限公司[81]采用了五棱柱形狀點塊，Rosenberg 等[82]采用了月牙狀、梯形點塊，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所[83]采用了圓弧過渡的正方體點塊，Gen Electronic Company[84]采用了布置方向不同的橢圓柱體點塊。Atyabi 等[85]設(shè)計了六棱柱體點塊的錯布排列，六棱柱點塊的存在使氣體擴(kuò)散層處的氧氣擴(kuò)散速率增加了十倍，增強(qiáng)了氧氣向氣體擴(kuò)散層的傳遞。陰極氣體通道上的壓力是影響PEMFC整體性能的有效因素。由于壓力增加，進(jìn)入氣體擴(kuò)散層的氧氣質(zhì)量流量增加。由于流場的規(guī)則布置，在蜂窩狀流場處可實現(xiàn)壓力的均勻分布。發(fā)現(xiàn)該流場的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、局部電流密度、溫度和水含量的均勻性好，有利于防止水淹和過熱現(xiàn)象的發(fā)生，且該流場的流阻較低。

綜上所述，對于點狀流場，優(yōu)化點塊形狀與布置方式可以改善水管理，提高反應(yīng)物的利用率，進(jìn)而提升燃料電池的性能。

5 基于組合流場的設(shè)計與研究

組合流場是指將兩種或兩種以上的傳統(tǒng)流場設(shè)計實現(xiàn)在同一流場板上。組合流場綜合了不同流場的優(yōu)點，是目前流場發(fā)展的重要方向之一。相比于普通的單一類型流場，組合流場的設(shè)計與加工比較復(fù)雜，同時組合流場并沒有從根本上脫離傳統(tǒng)流場的束縛，對電池各方面的性能改善效果是有限的。

中國石油大學(xué)（華東）[86]發(fā)明了一種混合型結(jié)構(gòu)流場，如圖11 所示。該流場是將蛇形流道、點狀流場和平行流道相組合的一種混合型流道。反應(yīng)氣體先進(jìn)入蛇形流道，經(jīng)過點狀流場均勻再分布后進(jìn)入平行流道。大面積的蛇形流道保證了整個流場的排水性能，從蛇形流道出來未經(jīng)反應(yīng)的氣體經(jīng)點狀流場再分布后均勻進(jìn)入平行流場，流速降低，壓差減小，與膜電極充分接觸并且被再利用。整個設(shè)計提高了反應(yīng)氣體的利用率及電池輸出性能的穩(wěn)定性，并降低了反應(yīng)氣體的壓降。沈陽建筑大學(xué)[87]發(fā)明的流場結(jié)構(gòu)包括交指型流道和蛇形流道，交指型流道末端與蛇形流道首端相連。該結(jié)構(gòu)綜合利用交指型流道和蛇形流道的優(yōu)點，在交指流道促進(jìn)反應(yīng)物利用的同時，蛇形流道增強(qiáng)了交指流道的排水性能，使電流密度分布也更加均勻。浙江工業(yè)大學(xué)[88]將蛇形流道與交指流道結(jié)合發(fā)明了一種主動排水的雙極板（圖12），分布于流場兩側(cè)的流道為交指型流道，中間的蛇形流道分布在兩條交指型流道之間，該流道可以改善傳統(tǒng)交指型流場容易水淹的問題。

圖11 蛇形流道、針形流道和平行流道[86]Fig.11 Serpentine flow channel,needle flow channel and parallel flow channel[86]

圖12 交指流道和蛇形流道[88]Fig.12 Interdigitated flow channel and serpentine flow channel[88]

綜上所述，組合流場能夠綜合不同流場的優(yōu)點，特定的組合流場設(shè)計能夠改善電池在某些方面的不足，是流場設(shè)計時應(yīng)重點考慮的方向。

6 基于仿生流場的設(shè)計與研究

仿生流場是近幾年研究較多的一類流場，其一般是基于自然界中樹的枝干分布、樹葉的脈絡(luò)分布以及人體心肺血管分布設(shè)計的。此類流場相比傳統(tǒng)流場，其具有遵循Murray 法則分布的主流道與多級分形維度上的分支流道，反應(yīng)氣體經(jīng)主流道再分流進(jìn)入各分流道，合理的分支結(jié)構(gòu)設(shè)計使反應(yīng)氣體流量不斷細(xì)分，因此其特點在于使流體在整個活性反應(yīng)面積分布均勻且停留時間較長，使反應(yīng)物得到充分利用，燃料電池的電流密度分布也會更加均勻。仿生流場中，流體具有良好的流動特性，合理的流道分支可使流線分布平滑，有利于相鄰主流道之間的氣體交換。由于分支流道的存在，相鄰流道之間的流體流動被加強(qiáng)，仿生結(jié)構(gòu)各單元之間頻繁形成分流與合流，因此反應(yīng)流體的速度變化明顯，氣流會發(fā)生擾動與壓力的變化。流道每級分支流道中產(chǎn)生的水和熱量都會由反應(yīng)氣流帶入?yún)R合到上一級分支流道中，最后由主流道排出，均布細(xì)致的多級分支結(jié)構(gòu)也有利于將反應(yīng)生成的水和熱從流場中排出。仿生流場的分叉角度和分叉數(shù)量影響反應(yīng)氣體在流道內(nèi)部的流動，反應(yīng)氣體在分叉區(qū)域的流動容易導(dǎo)致壓降過大。與此同時，仿生流場的復(fù)雜形式不利于加工。仿生流道的設(shè)計與研究，按其結(jié)構(gòu)大致可分為三大類：（1）基于樹枝形；（2）基于葉脈形；（3）基于肺形。

6.1 基于樹枝形流場的設(shè)計與研究

李昌平[89]設(shè)計了一個用于高溫PEMFC 的樹枝狀分形流場結(jié)構(gòu)（圖13），通過數(shù)值分析研究得出：該分支流場結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)流場能夠提供更均勻的流場分布、電流密度分布，這是因為該分支流場每一級流道內(nèi)氣體壓力都是相同的，即從上一級流道分支到下一級流道后，分支流道內(nèi)氣體的壓力分布無差異，為反應(yīng)氣體在流道內(nèi)的均勻分布提供了動力條件；其次，分支流道能將來自反應(yīng)流場流道內(nèi)的熱量經(jīng)過分支流道匯集，然后通過主干流道將熱量排出電池外，因此分支流道具有良好的排熱效果。該樹枝狀分形結(jié)構(gòu)流場比傳統(tǒng)的平行流場其最大功率密度可提高24%左右。武漢理工大學(xué)[90]發(fā)明了若干種基于樹枝狀仿生結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，其優(yōu)點在于有利于主流道的氣體分配，能夠有效防止流道阻塞而造成的水淹，可通過提高反應(yīng)物的利用率來提高燃料電池的性能和穩(wěn)定性。

Damian-Ascencio 等[91]介紹了一種具有樹枝狀流道的流場板（圖14），指出支路分叉和傾斜坡度是表征該結(jié)構(gòu)流場的兩個參數(shù)，具有兩個分叉水平的配置對反應(yīng)物具有更好的流量分布。但是，過大的分叉角度容易限制氣體的流動，特別是在分叉所在的區(qū)域，導(dǎo)致大部分氣流停留在主流道上。通過數(shù)值模擬得一級分叉角度74°、二級分叉角度37°時，流場能夠有效地去除陰極流道中的水分，產(chǎn)生較高的電流密度；通過增加分叉的數(shù)量，使反應(yīng)物氣體在活性區(qū)域上的分布更均勻，從而產(chǎn)生更均勻的電流密度，可以獲得更好的燃料電池性能。蘇宇靜[92]利用Fluent建立了樹枝狀分形的交指流場和平行流場結(jié)構(gòu)，并且流場結(jié)構(gòu)分為對稱和不對稱的。研究表明樹枝形交指流場設(shè)計為不對稱時能豐富質(zhì)子交換膜的含水量并且使氫氣的利用程度增加，因此燃料電池性能最好，比普通交指流場提高了36.7%。而樹枝形平行流場設(shè)計為不對稱時并不能使電池性能得到明顯改善。

圖13 樹枝形流場[89]Fig.13 Tree branch shaped flow field[89]

圖14 樹枝狀分叉流場[91]Fig.14 Tree branch bifurcation flow field[91]

6.2 基于葉脈形流場的設(shè)計與研究

喬運(yùn)乾[93]仿照樹葉葉脈仿生結(jié)構(gòu)，根據(jù)Murray法則設(shè)計了葉脈形流場結(jié)構(gòu)，利用計算流體力學(xué)軟件模擬了電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)和熱質(zhì)傳遞過程，研究發(fā)現(xiàn)如圖15 所示的流場板有著良好的性能。同時，發(fā)現(xiàn)PEMFC性能會受仿生流道分支數(shù)量和位置的影響，通過增加不同位置以及不同數(shù)目的分支，使其更接近自然界中樹葉的葉脈形式，氣體的分布也更加合理，在流道分流和合流的區(qū)域附近，速度變化最明顯，分流速度降低，合流速度增加，容易造成氣體的擾動以及在進(jìn)出口形成壓差，使更多的氣體能夠參與反應(yīng)，有利于除水和電池性能的提高。吳明格[94]設(shè)計了一種葉脈形態(tài)的仿生結(jié)構(gòu)流場，通過模擬與實驗研究發(fā)現(xiàn)，該葉脈流場的主動排水性能很好，能有效防止水淹現(xiàn)象的發(fā)生?？s短該仿生流場分支流道的長度并且脊的寬度發(fā)生漸變可以提高電池的性能。

6.3 基于肺形流場的設(shè)計與研究

圖15 葉脈形流場[93]Fig.15 Leaf vein flow field[93]

圖16 肺形仿生流場[95]Fig.16 Pulmonary bionic flow field[95]

Kloess 等[95]基于肺形設(shè)計了如圖16所示的仿生流場，并且通過模擬與實驗對比了其與傳統(tǒng)蛇形流場和交指流場的性能，發(fā)現(xiàn)仿生流場從入口到出口的壓降都要小于傳統(tǒng)蛇形流場與交指流場，沿氣體擴(kuò)散層的壓力分布也更加均勻，肺形設(shè)計減少了高壓區(qū)域，同時肺形設(shè)計中的氣體流速相對較小但是更加均勻，減小了速度分布的尖峰和死區(qū)，有助于氣體在擴(kuò)散層中的均勻擴(kuò)散，因此仿生流場的峰值功率密度比傳統(tǒng)流場高30%左右。Asadzade 等[96]基于人體肺結(jié)構(gòu)設(shè)計了肺形雙極板，數(shù)值模擬研究結(jié)果表明：肺形微流體流動模式有利于獲得最大功率密度。Turpin 等[97]根據(jù)人類肺中血管分支仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計了仿生流場，由主干流道不斷往下分支，隨著分支數(shù)量的增加，其分支截面越來越小。采用此種結(jié)構(gòu)，能夠強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)，促進(jìn)反應(yīng)物的利用。同時需要指出的是，由于分形維度的隨機(jī)性，該流場結(jié)構(gòu)較難獲得燃料電池性能最佳的結(jié)構(gòu)，且對于流場的加工也存在一定難度。

基于仿生流場的設(shè)計與研究內(nèi)容總結(jié)在表4中。

7 基于三維精細(xì)化流場的設(shè)計與研究

三維精細(xì)化網(wǎng)格流場是近兩年興起的新型流場，流場由眾多微供氣單元排列而成，微供氣單元改善了燃料電池的供氣方式，擋板結(jié)構(gòu)與擴(kuò)散層呈一定角度，迫使反應(yīng)氣體進(jìn)入擴(kuò)散層，尤其是在高電流密度區(qū)通過增強(qiáng)濃差擴(kuò)散從而使燃料電池性能獲得顯著提高。但是，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和尺寸的精密性，對加工精度和成本控制都提出了更高的要求。

Niu 等[98]介紹了豐田Mirai 燃料電池雙極板，如圖17所示，該流場板使得陰極進(jìn)氣方向與擴(kuò)散層呈一定夾角，導(dǎo)流板中間將氣流引向氣體擴(kuò)散層以增強(qiáng)質(zhì)量傳遞，改善了反應(yīng)氣體的供應(yīng)方式，大大強(qiáng)化了流體的傳質(zhì)作用。導(dǎo)流板兩側(cè)則將液態(tài)水從氣體擴(kuò)散層表面的不同位置引向流動通道的頂壁，然后由快速流動的反應(yīng)氣體帶出流場。由于三維精細(xì)化流場的供氣單元結(jié)構(gòu)尺寸微小，大多為零點幾毫米，對于大面積的流場板來說，均勻密布的供氣單元結(jié)構(gòu)使反應(yīng)氣流細(xì)微而又均勻分布于流場板，反應(yīng)氣體均勻而又充分的流動可以將電池產(chǎn)生的大部分熱量帶出。該設(shè)計重點考慮了增強(qiáng)反應(yīng)物傳質(zhì)與除水作用，當(dāng)PEMFC 以高電流密度操作時，可以改善陰極流動通道中的水積聚現(xiàn)象。Zhang等[99]設(shè)計了一種三維精細(xì)化網(wǎng)格流場，結(jié)構(gòu)如圖18所示。通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，三維精細(xì)網(wǎng)格流場可以顯著改善從流場到多孔電極的反應(yīng)氣體供應(yīng)，同時有利于PEMFC 中液態(tài)水的去除。因此，由于氣體擴(kuò)散層與流場和氫氣與空氣的垂直流動設(shè)計之間的傳質(zhì)面積大大增加，可以有效地降低PEMFC的濃差損失，使得反應(yīng)速率分布在擴(kuò)散層中更加均勻。然而，在該流場中擴(kuò)散層和雙極板之間的較小接觸面積可能在低電流密度下降低PEMFC 性能。Dhahad 等[100]發(fā)明了一種三維精細(xì)化流場，該精細(xì)流場分為突出部分、平臺部分、粘合部分、圓形通道部分，反應(yīng)流體可以通過圓孔進(jìn)入擴(kuò)散層，且由于流體進(jìn)入擴(kuò)散層時其進(jìn)氣方向與擴(kuò)散層呈一定的角度，會增強(qiáng)擴(kuò)散作用。通過這種結(jié)構(gòu)能夠強(qiáng)化反應(yīng)流體的流動，減小氣體擴(kuò)散層各處的氣體擴(kuò)散濃度差，實現(xiàn)較均勻的電化學(xué)反應(yīng)。

表4 基于仿生流場的設(shè)計與研究Table 4 Design and research based on bionic flow field

圖17 豐田Mirai流場[98]Fig.17 Toyota Mirai flow field[98]

圖18 一種三維精細(xì)化流場[99]Fig.18 Three-dimensional refined flow field[99]

綜上所述，三維精細(xì)化流場相比平行流場與蛇形流場等，其精密的三維結(jié)構(gòu)改變了反應(yīng)氣體的供氣方式，在分散反應(yīng)氣體的同時通過每個單元擋板的設(shè)計增強(qiáng)反應(yīng)氣體向擴(kuò)散層的擴(kuò)散傳質(zhì)，極大減少了電池的濃差極化，從而提高了電池的性能。但是，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和尺寸的精密性，對加工精度提出了很嚴(yán)格的要求。

8 關(guān)于不同流場設(shè)計的對比與建議

本文分別介紹了基于平行流場、蛇形流場、交指流場、點狀流場、組合流場、仿生流場以及三維精細(xì)化流場的設(shè)計與研究。表5所示為所介紹不同流場之間的優(yōu)劣與設(shè)計方向?qū)Ρ??；诓煌鲌龅膬?yōu)劣對比與結(jié)構(gòu)上的設(shè)計方向，給出如下建議。

（1）平行流場在燃料電池中應(yīng)用廣泛，加工簡單且制作成本低。但是傳統(tǒng)的平行流場由于存在流量分布不均以及水淹造成的性能惡化等問題，必須圍繞其流道尺寸、流道截面、流道進(jìn)出口以及流道布置等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)與調(diào)整，以盡量修正其存在的缺陷。總體上，目前平行流場正朝著尺寸精細(xì)化與導(dǎo)流式的方向發(fā)展，對于流道布置與進(jìn)出口的改進(jìn)研究關(guān)注較少，流場的合理優(yōu)化設(shè)計應(yīng)該綜合考慮所有的結(jié)構(gòu)影響因素。

（2）蛇形流場由于其良好的排水性能在燃料電池中也存在著廣泛的應(yīng)用，但是由于其特殊的轉(zhuǎn)折流道結(jié)構(gòu)，會引起沿流動方向電流密度分布不均以及壓降過大的問題。對于其反應(yīng)物傳質(zhì)與分布的改善，應(yīng)重點考慮流道尺寸、流道截面、進(jìn)口分配段、U 形拐角以及流道布置等方面。目前對于進(jìn)口分配段的設(shè)計與研究較少，對于多通道蛇形流場來說，進(jìn)出口結(jié)構(gòu)的設(shè)計顯得尤為重要，它所決定的反應(yīng)氣體進(jìn)入流場與排出流場時的狀態(tài)又會反過來影響電池性能，是不容忽視的結(jié)構(gòu)影響因素。

（3）交指流場由于其間斷流道迫使反應(yīng)氣體強(qiáng)制對流進(jìn)入擴(kuò)散層而使電池性能得到提高。目前對于交指流場設(shè)計與改進(jìn)的研究較少，改進(jìn)目標(biāo)應(yīng)重點放在如何減小流阻、提高排水性能上，除了考慮尺寸設(shè)計與截面設(shè)計等方面，還應(yīng)考慮其流道布置形式的影響，交指流場與蛇形流場或平行流場的組合使用，可以直接改善其排水性能差與流阻大等缺點，因此交指流場與其他流場的組合形式及布置的研究也比較重要。

（4）在點狀流場中，目前對于點塊形狀的研究較多，點塊形狀決定了反應(yīng)氣體的繞流方式與特點，而點塊的布置方式則影響了反應(yīng)氣體的流場，進(jìn)而影響了反應(yīng)氣體的分布均勻性與流場的排水散熱性能，因此對點塊布置方式的考慮在點狀流場設(shè)計中是不容忽視的。

表5 不同流場的優(yōu)劣與設(shè)計方向?qū)Ρ萒able 5 Comparison of advantages and disadvantages of different flow fields and design direction

（5）組合流場能夠綜合不同流場的優(yōu)點，特定的組合流場設(shè)計能夠改善電池在某些方面的不足，是流場設(shè)計時應(yīng)重點考慮的方向。對于組合流場的設(shè)計與研究首先應(yīng)考慮其在變工況作用下對電池某一特定性能的改善效果，其次還應(yīng)考慮不同流場的組合與所占面積比例對電池性能所產(chǎn)生的不同影響。

（6）仿生流場的設(shè)計與改進(jìn)，應(yīng)重點考慮每級分形維度上分叉角度與分叉數(shù)量的影響，它們影響著反應(yīng)氣體的流動與分布狀態(tài)。

（7）對于三維精細(xì)化流場來說，單元供氣結(jié)構(gòu)是影響反應(yīng)氣體擴(kuò)散傳質(zhì)與流場排水散熱的關(guān)鍵因素，因此對于單元供氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計與改進(jìn)是三維精細(xì)化流場的研究重點。同時，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和尺寸的精密性，對加工方式和加工精度提出了很嚴(yán)格的要求，該種流場在低電流密度區(qū)對電池性能的改善作用并不明顯，甚至?xí)驗榕c膜電極接觸電阻過大而使性能降低，因此對該種形式流場的設(shè)計與使用應(yīng)充分權(quán)衡制作成本和對電池性能改善的利好程度。

通過以上的介紹可知，目前質(zhì)子交換膜燃料電池流場板正在朝著尺寸精細(xì)化、結(jié)構(gòu)三維化的方向發(fā)展。因此未來如何進(jìn)行三維精細(xì)化流場的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計來進(jìn)一步提高電池的功率密度以及增強(qiáng)主動排水散熱效果是研究者應(yīng)該考慮的重要方向，并且由此帶來的加工工藝改進(jìn)與生產(chǎn)成本控制問題也是不容忽視的。目前，針對于常用流場的設(shè)計與研究主要集中在一定設(shè)計工況下的單一結(jié)構(gòu)（如上所述的流道尺寸、流道截面、進(jìn)口分配段和流道布置等方面），對于變工況下的多流場結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究仍然較少，因此應(yīng)當(dāng)開展流場結(jié)構(gòu)多參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化的研究，有效提升燃料電池流場板的變工況適用性。

9 結(jié) 論

本文對質(zhì)子交換膜燃料電池流場板的設(shè)計與研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，主要結(jié)論如下。

(1)基于平行流場、蛇形流場和交指流場的結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要在流道尺寸、流道截面、進(jìn)口分配段、流道布置以及U形拐角結(jié)構(gòu)等方面。這些改進(jìn)能夠在不同程度上優(yōu)化反應(yīng)流體的分配，增強(qiáng)反應(yīng)物的擴(kuò)散傳質(zhì)，改善水熱管理性能，降低壓力損失，進(jìn)而提高燃料電池的性能。對于點狀流場，具有導(dǎo)流形狀的點塊與合理的布置方式改善了反應(yīng)流體的分布，提高了反應(yīng)物的利用率，進(jìn)而提升了燃料電池的性能。

(2)組合流場以不同結(jié)構(gòu)流場組合布置方式為主，能夠綜合不同流場的優(yōu)點，特定的組合流場設(shè)計能夠改善電池在某個方面的不足，是流場設(shè)計時應(yīng)重點考慮的方向。

(3)仿生流場根據(jù)結(jié)構(gòu)和分形維度的不同分為樹枝形、葉脈形以及肺形。其最大的特點在于使流體在整個活性反應(yīng)面積分布均勻且停留時間較長，有利于提高反應(yīng)物的利用率，燃料電池的電流密度分布也會更加均勻。其次，合理的仿生流場也有利于減小流道內(nèi)的壓降，使流道內(nèi)的壓力分布也變得更加均勻。

(4)三維結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是三維精細(xì)化流場最重要的考慮方向，其能夠顯著改善燃料氣體的供應(yīng)方式，降低濃差極化，從而使燃料電池性能獲得顯著提高。

(5)質(zhì)子交換膜燃料電池流場的設(shè)計應(yīng)克服以前主要考慮單一結(jié)構(gòu)、以設(shè)計工況為主考慮問題的局限性，開展多參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化的研究，有效提升燃料電池流場板的變工況適用性。