文章來(lái)源：中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司

0引言
當(dāng)前，世界各國(guó)都在進(jìn)行能源體系改革，高度重視新能源技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，以應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境惡化和能源匱乏問(wèn)題。燃料電池技術(shù)由于其具有高效、清潔無(wú)污染的特點(diǎn)，受到各國(guó)政府和企業(yè)的重視。加拿大的巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司于1993年首次將燃料電池技術(shù)應(yīng)用于公共汽車(chē)；2006年，美國(guó)加強(qiáng)了對(duì)燃料電池技術(shù)應(yīng)用的支持，啟動(dòng)國(guó)家燃料電池公共汽車(chē)計(jì)劃，以通用公司為首的各大汽車(chē)企業(yè)先后進(jìn)行了燃料電池汽車(chē)技術(shù)的研發(fā)；而日本豐田公司早在2014年就發(fā)布了第一代Mirai燃料電池汽車(chē)，可以實(shí)現(xiàn)502公里的續(xù)航里程；我國(guó)在“中國(guó)至2050年能源科技發(fā)展路線圖”和“十四五規(guī)劃”中也將燃料電池技術(shù)列為新能源技術(shù)的重點(diǎn)研究方向之一。
本文對(duì)燃料電池的分類、基金原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，對(duì)目前車(chē)用燃料電池的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀進(jìn)行了分類研究，對(duì)今后燃料電池汽車(chē)流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。
1燃料電池簡(jiǎn)介
燃料電池的本質(zhì)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，在燃料電池的工作過(guò)程中，陰極和陽(yáng)極的反應(yīng)物在催化劑的作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)外輸出。在整個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，不會(huì)受到卡諾循環(huán)的限制，因此可以具備較高的能量轉(zhuǎn)換效率。
1.1燃料電池的工作原理及分類圖1為燃料電池的基本工作原理圖。主要包括反應(yīng)物在陰極和陽(yáng)極兩側(cè)的質(zhì)量傳輸過(guò)程、反應(yīng)物在催化層中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程、帶電粒子的傳導(dǎo)過(guò)程以及燃料電池工作產(chǎn)物和反應(yīng)氣體的排出過(guò)程。
考慮到燃料電池所使用電解質(zhì)的不同，可將其分為以下幾種類型：磷酸燃料電池（PAFC）、聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）以及固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）。具體的分類比較見(jiàn)表1。

綜合考慮上述燃料電池所用燃料類型、工作溫度等因素與汽車(chē)工作狀況的匹配程度，目前車(chē)用燃料電池主要類型為質(zhì)子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）。
1.2PEMFC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖2展示了質(zhì)子交換膜燃料電池的基本組成結(jié)構(gòu)，主要包括陰陽(yáng)兩極的雙極板（BP）、氣體擴(kuò)散層（GasDiffusionLayer,GDL）、微孔層（MicroPorousLayer,MPL）催化層（CatalystLayer,CL）、質(zhì)子交換膜（ProtonExchangeMembrane,PEM）幾部分。

PEMFC的工作過(guò)程主要包括以下幾步：1）反應(yīng)物的傳輸：在PEMFC工作過(guò)程中，為了保證燃料電池的正常工作，必須對(duì)其進(jìn)行持續(xù)不斷的供應(yīng)反應(yīng)氣體。在質(zhì)量傳輸?shù)倪^(guò)程中，流道的結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計(jì)對(duì)于燃料電池的性能有著十分重要的影響。反應(yīng)氣體通過(guò)流道的導(dǎo)流作用分布于燃料電池電極表面，之后通過(guò)對(duì)流和擴(kuò)散傳輸方式到達(dá)電極內(nèi)部，在催化劑的作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。在大電流密度的工況下，燃料電池對(duì)于燃料的需求量不斷變大，考慮到流道結(jié)構(gòu)局限性、反應(yīng)氣體的傳輸方式以及生成物對(duì)傳輸氣體的阻礙作用等因素，反應(yīng)氣體會(huì)出現(xiàn)供應(yīng)不及時(shí)的情況，燃料電池會(huì)出現(xiàn)“挨餓”現(xiàn)象。
2）電化學(xué)反應(yīng)：在反應(yīng)氣體傳輸?shù)诫姌O之后，在催化作用下，氫氣和氧氣會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。在陽(yáng)極一側(cè)，氫氣發(fā)生電離，產(chǎn)生氫離子和電子；在陰極一側(cè)，氧氣得到電子并與陽(yáng)極傳輸過(guò)來(lái)的質(zhì)子反應(yīng)生成水。
3）離子（和電子）的傳導(dǎo)：氫氣通過(guò)催化作用發(fā)生電離之后，生成氫離子和電子。在外電路，電子從陽(yáng)極極板導(dǎo)入陰極一側(cè)，同時(shí)氫離子通過(guò)聚合物膜傳輸?shù)疥帢O一側(cè)，陰極的氧氣在得到電子之后電離成氧離子，之后，氧離子和氫離子發(fā)生反應(yīng)生成水。
4）生成物的排出：在PEMFC工作過(guò)程中，氫氣和氧氣（空氣）經(jīng)過(guò)催化作用發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為水。隨著燃料電池的持續(xù)工作，生成水的數(shù)量會(huì)不斷增加，如果水不斷積累，將嚴(yán)重影響燃料電池內(nèi)部反應(yīng)物傳輸過(guò)程，從而影響電池性能，即發(fā)生“水淹”現(xiàn)象。因此，需要及時(shí)的將反應(yīng)生成的水通過(guò)流道適當(dāng)?shù)呐懦觥?br /> 在上述工作過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生三種燃料電池工作損失，即活化損失、歐姆損失和濃度損失。其中，濃度損失是由于燃料電池內(nèi)部質(zhì)量傳輸過(guò)程引起的損耗。當(dāng)燃料電池在大電流密度工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)會(huì)迅速的消耗大量的反應(yīng)氣體。此時(shí)，反應(yīng)氣體的質(zhì)量傳輸速率很難滿足電化學(xué)反應(yīng)的需求，從而造成濃度損失，使得電池性能迅速下降。濃度損失的大小和燃料電池的流道結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，合理的設(shè)計(jì)燃料電池的流道結(jié)構(gòu)，對(duì)于改善燃料電池內(nèi)部的質(zhì)量傳輸過(guò)程，降低燃料電池的濃度損失具有十分重要的意義。
2PEMFC流道研究現(xiàn)狀
目前，關(guān)于質(zhì)子交換膜燃料電池的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，研究學(xué)者們給出了大量的選擇，具體可分為三大類：一種是對(duì)改進(jìn)常用的流道結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，包括對(duì)平行流道、蛇形流道和交指型流道等幾種常用流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，具體包括流道深度、圓角半徑、進(jìn)出口長(zhǎng)寬比等幾何要素的優(yōu)化設(shè)計(jì)；另一種是在常用流道的基礎(chǔ)之上增設(shè)不同形狀和大小的隔板或者阻塊，通過(guò)改進(jìn)反應(yīng)氣體在流道內(nèi)部的局部傳輸過(guò)程以影響燃料電池內(nèi)部的質(zhì)量傳輸過(guò)程，進(jìn)一步提高燃料電池的性能表現(xiàn)；第三種是向自然界中的奇妙結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)，運(yùn)用仿生學(xué)手段設(shè)計(jì)出一些新型流道，比如蜂巢狀、魚(yú)鰭狀等等。
2.1傳統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有平行流道、蛇形流道以及交指型流道等，其結(jié)構(gòu)示意圖如3所示。不同的流道類型具有不同的特點(diǎn)：平行流道可以保證反應(yīng)氣體均勻的進(jìn)入每一個(gè)流場(chǎng)溝道并從出口流出，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于流道的進(jìn)口和出口之間的壓降很小，從而一定程度上降低了泵氣功損失，提高了燃料電池的有效功率。然而，當(dāng)燃料電池的功率較大時(shí)，此時(shí)需要更大的流場(chǎng)面積。較大的流場(chǎng)寬度可能會(huì)導(dǎo)致流體分布均勻性較差，引起流場(chǎng)內(nèi)部部分區(qū)域中液態(tài)水的積累較多，對(duì)燃料電池的質(zhì)量傳輸過(guò)程產(chǎn)生不利的影響，從而降低電池性能。因此，平行流道更多適用于微型燃料電池的應(yīng)用。蛇形流道是燃料電池常用的一種流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，其在燃料電池的排水能力表現(xiàn)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。然而，當(dāng)其應(yīng)用在規(guī)格較大的燃料電池中時(shí)，其進(jìn)出口壓力降較大的缺點(diǎn)被放大出來(lái)，給燃料電池帶來(lái)了較大的額外功率損失，對(duì)于燃料電池的性能也產(chǎn)生了較大的影響。交指型流道同時(shí)具備了平行流道和蛇形流道的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)以增強(qiáng)對(duì)流傳輸?shù)姆绞揭环矫嫣岣吡朔磻?yīng)氣體在其內(nèi)部分布的均勻性，另一方面也促進(jìn)了燃料電池內(nèi)部液態(tài)水的流動(dòng)，有利于燃料電池的水管理問(wèn)題，從而提高了電池的性能。然而，借助增強(qiáng)對(duì)流傳輸?shù)姆绞叫枰^大的壓力差作為源動(dòng)力，這就導(dǎo)致了較大的壓降損失，這個(gè)問(wèn)題目前有待改進(jìn)。

目前，研究學(xué)者對(duì)于傳統(tǒng)流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究。Chiu等人研究了幾種不同的流道對(duì)于燃料電池內(nèi)部傳輸現(xiàn)象和電池性能的影響，包括平行流道、交指型流道和蛇形流道，分析了幾種流道的寬度、高度和縱橫比等結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。Rostami等人通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)的方法研究了質(zhì)子交換膜燃料電池蛇形流道彎曲部分直徑大小對(duì)于電池性能的影響，具體包括三種彎曲直徑大?。?.8mm，1mm和1.2mm。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)彎曲直徑為1.2mm時(shí)，在工作電壓為0.6V的條件下，相比于1mm和0.8mm兩種彎曲直徑大小的電池功率提高了約0.82和1.78%?？紤]到流場(chǎng)壓降的因素，他們發(fā)現(xiàn)彎曲部分直徑為1.2mm時(shí)電池具有更好的性能。此外，Chowdhury等人通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)蛇形流道進(jìn)行改進(jìn)，提出了發(fā)散型和聚斂型兩種流道改進(jìn)方案。他們分析了燃料電池內(nèi)部的氧氣質(zhì)量傳輸、水濃度以及壓力分布情況，研究了兩種流道改進(jìn)方案對(duì)于電池性能的影響。結(jié)果表明，采用聚斂型流道的燃料電池中氧氣分布、液態(tài)水濃度分布和電池性能表現(xiàn)要優(yōu)于采用傳統(tǒng)蛇形流道和發(fā)散型流道的燃料電池。相關(guān)的流道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4。

2.2增設(shè)隔板的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在對(duì)傳統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)過(guò)程中，除了針對(duì)流道的幾何參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)之外，研究學(xué)者還針對(duì)在流道中增設(shè)隔板以改進(jìn)燃料電池內(nèi)部質(zhì)量傳輸過(guò)程進(jìn)行了大量的探索，發(fā)現(xiàn)在流道中增設(shè)隔板可以明顯的增強(qiáng)電池性能，而在隔板的幾何設(shè)計(jì)方面，研究人員也開(kāi)展了大量的設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作，以提高隔板流道的實(shí)用性能。
Shen等人[通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法研究了增設(shè)隔板對(duì)燃料電池性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的單蛇形流道，流道中增設(shè)隔板可以明顯提高反應(yīng)氣體的質(zhì)量傳輸系數(shù)，從而顯著的提高電池性能。Heidary等人一方面利用數(shù)值仿真方法研究了在質(zhì)子交換膜燃料電池陽(yáng)極和陰極流道中完全或部分添加阻塊的影響，重點(diǎn)研究了阻塊的高度和數(shù)量的影響。他們發(fā)現(xiàn)盡管流道中增設(shè)全阻塊會(huì)增大流道中的壓降，對(duì)反應(yīng)氣體起到很大的阻礙作用，但是，相比于部分阻塊而言，全阻塊流道可以提高燃料電池的凈功率。另一方面，他們還通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，證明全阻塊流道可以提高燃料電池性能約30%。此外，他們對(duì)流道中增加隔板的排列順序進(jìn)行了研究，以探索隔板在流道內(nèi)部的最佳布局方式。通過(guò)仿真手段，分析了隔板并列排布和交錯(cuò)排布兩種布局方式對(duì)燃料電池性能的影響。研究結(jié)果表明：相比于并列排布方式，隔板交錯(cuò)排布更有利于提高燃料電池的性能，最大功率提高了11%。Ebrahimzadeh等人通過(guò)仿真手段研究了隔板的形狀和大小對(duì)于燃料電池內(nèi)部反應(yīng)物的分布和電池性能的影響，包括長(zhǎng)方形、三角形、圓柱形以及梯形阻塊。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃料電池工作電壓為0.6V時(shí)，流道中帶有阻塊的燃料電池性能相比于沒(méi)有阻塊的高50%。相關(guān)的流道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

2.3新型流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了對(duì)于傳統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)以及在其中增設(shè)隔板以改善燃料電池質(zhì)量傳輸過(guò)程，研究學(xué)者還對(duì)新型流道設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些研究。
Li等人設(shè)計(jì)了一種波浪形蛇形流道，他們發(fā)現(xiàn)這種新型設(shè)計(jì)方案在促進(jìn)氧氣在氣體擴(kuò)散層內(nèi)部傳輸過(guò)程以及促進(jìn)液態(tài)水的傳輸方面相比于傳統(tǒng)蛇形流道表現(xiàn)要更好一些。Atyabi等人提出了一種蜂巢型陰極流道，基于三維PEMFC模型研究了燃料電池傳輸特性。仿真結(jié)果表明，新型蜂巢流道設(shè)計(jì)可以改善燃料電池內(nèi)部壓力和溫度分布，降低催化層中水淹的可能性。Liu等人研究了魚(yú)鰭狀流道對(duì)PEMFC內(nèi)部液態(tài)水傳輸?shù)挠绊懀l(fā)現(xiàn)魚(yú)鰭狀流道可以促進(jìn)液滴在GDL表面的移動(dòng)，減小液態(tài)水的積聚。豐田公司提出一種三維魚(yú)鱗狀流道設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用于Mirai燃料電池汽車(chē)中，這種流道設(shè)計(jì)可以提高燃料電池的極限電流密度2.4倍，因?yàn)槠湓诟倪M(jìn)燃料電池內(nèi)部質(zhì)量分布均勻性和液態(tài)水移動(dòng)方面具有很大的促進(jìn)作用。

3結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)燃料電池的組成結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)介，并詳細(xì)分析了質(zhì)子交換膜燃料電池流道的研究現(xiàn)狀，從傳統(tǒng)流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增設(shè)隔板的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新型流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)當(dāng)前流道結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分類總結(jié)，研究?jī)?nèi)容對(duì)后續(xù)燃料電池汽車(chē)流道結(jié)構(gòu)的研發(fā)應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。