车用燃料电池流道研究进展

文章来源：中国汽车技术研究中心有限公司

0引言
当前，世界各国都在进行能源体系改革，高度重视新能源技术的研发与应用，以应对日益严重的环境恶化和能源匮乏问题。燃料电池技术由于其具有高效、清洁无污染的特点，受到各国政府和企业的重视。加拿大的巴拉德动力系统公司于1993年首次将燃料电池技术应用于公共汽车；2006年，美国加强了对燃料电池技术应用的支持，启动国家燃料电池公共汽车计划，以通用公司为首的各大汽车企业先后进行了燃料电池汽车技术的研发；而日本丰田公司早在2014年就发布了第一代Mirai燃料电池汽车，可以实现502公里的续航里程；我国在“中国至2050年能源科技发展路线图”和“十四五规划”中也将燃料电池技术列为新能源技术的重点研究方向之一。
本文对燃料电池的分类、基金原理和结构进行了介绍，对目前车用燃料电池的流道结构设计现状进行了分类研究，对今后燃料电池汽车流道结构设计具有一定的指导作用。
1燃料电池简介
燃料电池的本质是一种能量转换装置，在燃料电池的工作过程中，阴极和阳极的反应物在催化剂的作用下发生电化学反应，燃料中的化学能转化为电能，对外输出。在整个能量转换的过程中，不会受到卡诺循环的限制，因此可以具备较高的能量转换效率。
1.1燃料电池的工作原理及分类图1为燃料电池的基本工作原理图。主要包括反应物在阴极和阳极两侧的质量传输过程、反应物在催化层中发生的电化学反应过程、带电粒子的传导过程以及燃料电池工作产物和反应气体的排出过程。
考虑到燃料电池所使用电解质的不同，可将其分为以下几种类型：磷酸燃料电池（PAFC）、聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）以及固态氧化物燃料电池（SOFC）。具体的分类比较见表1。

综合考虑上述燃料电池所用燃料类型、工作温度等因素与汽车工作状况的匹配程度，目前车用燃料电池主要类型为质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）。
1.2PEMFC的基本结构和工作原理图2展示了质子交换膜燃料电池的基本组成结构，主要包括阴阳两极的双极板（BP）、气体扩散层（GasDiffusionLayer,GDL）、微孔层（MicroPorousLayer,MPL）催化层（CatalystLayer,CL）、质子交换膜（ProtonExchangeMembrane,PEM）几部分。

PEMFC的工作过程主要包括以下几步：1）反应物的传输：在PEMFC工作过程中，为了保证燃料电池的正常工作，必须对其进行持续不断的供应反应气体。在质量传输的过程中，流道的结构、尺寸设计对于燃料电池的性能有着十分重要的影响。反应气体通过流道的导流作用分布于燃料电池电极表面，之后通过对流和扩散传输方式到达电极内部，在催化剂的作用下发生电化学反应。在大电流密度的工况下，燃料电池对于燃料的需求量不断变大，考虑到流道结构局限性、反应气体的传输方式以及生成物对传输气体的阻碍作用等因素，反应气体会出现供应不及时的情况，燃料电池会出现“挨饿”现象。
2）电化学反应：在反应气体传输到电极之后，在催化作用下，氢气和氧气会发生电化学反应。在阳极一侧，氢气发生电离，产生氢离子和电子；在阴极一侧，氧气得到电子并与阳极传输过来的质子反应生成水。
3）离子（和电子）的传导：氢气通过催化作用发生电离之后，生成氢离子和电子。在外电路，电子从阳极极板导入阴极一侧，同时氢离子通过聚合物膜传输到阴极一侧，阴极的氧气在得到电子之后电离成氧离子，之后，氧离子和氢离子发生反应生成水。
4）生成物的排出：在PEMFC工作过程中，氢气和氧气（空气）经过催化作用发生电化学反应，反应产物为水。随着燃料电池的持续工作，生成水的数量会不断增加，如果水不断积累，将严重影响燃料电池内部反应物传输过程，从而影响电池性能，即发生“水淹”现象。因此，需要及时的将反应生成的水通过流道适当的排出。
在上述工作过程中，会产生三种燃料电池工作损失，即活化损失、欧姆损失和浓度损失。其中，浓度损失是由于燃料电池内部质量传输过程引起的损耗。当燃料电池在大电流密度工况下运转时，电化学反应会迅速的消耗大量的反应气体。此时，反应气体的质量传输速率很难满足电化学反应的需求，从而造成浓度损失，使得电池性能迅速下降。浓度损失的大小和燃料电池的流道结构紧密相关，合理的设计燃料电池的流道结构，对于改善燃料电池内部的质量传输过程，降低燃料电池的浓度损失具有十分重要的意义。
2PEMFC流道研究现状
目前，关于质子交换膜燃料电池的流道结构设计方案，研究学者们给出了大量的选择，具体可分为三大类：一种是对改进常用的流道结构几何参数，包括对平行流道、蛇形流道和交指型流道等几种常用流道结构进行优化，具体包括流道深度、圆角半径、进出口长宽比等几何要素的优化设计；另一种是在常用流道的基础之上增设不同形状和大小的隔板或者阻块，通过改进反应气体在流道内部的局部传输过程以影响燃料电池内部的质量传输过程，进一步提高燃料电池的性能表现；第三种是向自然界中的奇妙结构学习，运用仿生学手段设计出一些新型流道，比如蜂巢状、鱼鳍状等等。
2.1传统流道结构设计传统的流道结构设计方案有平行流道、蛇形流道以及交指型流道等，其结构示意图如3所示。不同的流道类型具有不同的特点：平行流道可以保证反应气体均匀的进入每一个流场沟道并从出口流出，其最大的优点在于流道的进口和出口之间的压降很小，从而一定程度上降低了泵气功损失，提高了燃料电池的有效功率。然而，当燃料电池的功率较大时，此时需要更大的流场面积。较大的流场宽度可能会导致流体分布均匀性较差，引起流场内部部分区域中液态水的积累较多，对燃料电池的质量传输过程产生不利的影响，从而降低电池性能。因此，平行流道更多适用于微型燃料电池的应用。蛇形流道是燃料电池常用的一种流道结构设计方式，其在燃料电池的排水能力表现方面具有一定的优势。然而，当其应用在规格较大的燃料电池中时，其进出口压力降较大的缺点被放大出来，给燃料电池带来了较大的额外功率损失，对于燃料电池的性能也产生了较大的影响。交指型流道同时具备了平行流道和蛇形流道的优点，通过以增强对流传输的方式一方面提高了反应气体在其内部分布的均匀性，另一方面也促进了燃料电池内部液态水的流动，有利于燃料电池的水管理问题，从而提高了电池的性能。然而，借助增强对流传输的方式需要较大的压力差作为源动力，这就导致了较大的压降损失，这个问题目前有待改进。

目前，研究学者对于传统流道的结构设计进行了大量的研究。Chiu等人研究了几种不同的流道对于燃料电池内部传输现象和电池性能的影响，包括平行流道、交指型流道和蛇形流道，分析了几种流道的宽度、高度和纵横比等结构参数的影响。Rostami等人通过仿真和实验的方法研究了质子交换膜燃料电池蛇形流道弯曲部分直径大小对于电池性能的影响，具体包括三种弯曲直径大小：0.8mm，1mm和1.2mm。他们发现当弯曲直径为1.2mm时，在工作电压为0.6V的条件下，相比于1mm和0.8mm两种弯曲直径大小的电池功率提高了约0.82和1.78%。考虑到流场压降的因素，他们发现弯曲部分直径为1.2mm时电池具有更好的性能。此外，Chowdhury等人通过对传统蛇形流道进行改进，提出了发散型和聚敛型两种流道改进方案。他们分析了燃料电池内部的氧气质量传输、水浓度以及压力分布情况，研究了两种流道改进方案对于电池性能的影响。结果表明，采用聚敛型流道的燃料电池中氧气分布、液态水浓度分布和电池性能表现要优于采用传统蛇形流道和发散型流道的燃料电池。相关的流道设计结构图见图4。

2.2增设隔板的流道结构设计在对传统流道结构设计的改进过程中，除了针对流道的几何参数进行改进之外，研究学者还针对在流道中增设隔板以改进燃料电池内部质量传输过程进行了大量的探索，发现在流道中增设隔板可以明显的增强电池性能，而在隔板的几何设计方面，研究人员也开展了大量的设计和优化工作，以提高隔板流道的实用性能。
Shen等人[通过实验和数值仿真相结合的方法研究了增设隔板对燃料电池性能的影响。他们发现，相比于传统的单蛇形流道，流道中增设隔板可以明显提高反应气体的质量传输系数，从而显著的提高电池性能。Heidary等人一方面利用数值仿真方法研究了在质子交换膜燃料电池阳极和阴极流道中完全或部分添加阻块的影响，重点研究了阻块的高度和数量的影响。他们发现尽管流道中增设全阻块会增大流道中的压降，对反应气体起到很大的阻碍作用，但是，相比于部分阻块而言，全阻块流道可以提高燃料电池的净功率。另一方面，他们还通过实验进行了进一步的研究，证明全阻块流道可以提高燃料电池性能约30%。此外，他们对流道中增加隔板的排列顺序进行了研究，以探索隔板在流道内部的最佳布局方式。通过仿真手段，分析了隔板并列排布和交错排布两种布局方式对燃料电池性能的影响。研究结果表明：相比于并列排布方式，隔板交错排布更有利于提高燃料电池的性能，最大功率提高了11%。Ebrahimzadeh等人通过仿真手段研究了隔板的形状和大小对于燃料电池内部反应物的分布和电池性能的影响，包括长方形、三角形、圆柱形以及梯形阻块。通过研究发现，当燃料电池工作电压为0.6V时，流道中带有阻块的燃料电池性能相比于没有阻块的高50%。相关的流道设计结构图如图5所示。

2.3新型流道结构设计除了对于传统流道结构参数改进以及在其中增设隔板以改善燃料电池质量传输过程，研究学者还对新型流道设计进行了一些研究。
Li等人设计了一种波浪形蛇形流道，他们发现这种新型设计方案在促进氧气在气体扩散层内部传输过程以及促进液态水的传输方面相比于传统蛇形流道表现要更好一些。Atyabi等人提出了一种蜂巢型阴极流道，基于三维PEMFC模型研究了燃料电池传输特性。仿真结果表明，新型蜂巢流道设计可以改善燃料电池内部压力和温度分布，降低催化层中水淹的可能性。Liu等人研究了鱼鳍状流道对PEMFC内部液态水传输的影响，发现鱼鳍状流道可以促进液滴在GDL表面的移动，减小液态水的积聚。丰田公司提出一种三维鱼鳞状流道设计，并将其应用于Mirai燃料电池汽车中，这种流道设计可以提高燃料电池的极限电流密度2.4倍，因为其在改进燃料电池内部质量分布均匀性和液态水移动方面具有很大的促进作用。

3结束语
本文对燃料电池的组成结构、工作原理进行了简介，并详细分析了质子交换膜燃料电池流道的研究现状，从传统流道的结构设计、增设隔板的流道结构设计和新型流道结构设计三个方面对当前流道结构研究现状进行了分类总结，研究内容对后续燃料电池汽车流道结构的研发应用具有一定的指导意义。