正極板（油場(chǎng)板）作為質(zhì)子交換膜燃料電池的重要部件，其質(zhì)量占電池組的60%以上。行程板的流道設(shè)計(jì)對(duì)電池性能、工作效率和制造成本有很大影響。本章介紹了雙極板流道設(shè)計(jì)的相關(guān)因素。

雙極板作為PEMFC的重要部件，其兩面都有加工的流道，對(duì)反應(yīng)氣體的分布、電流收集、機(jī)械支撐、水熱管理以及陰陽(yáng)兩極反應(yīng)氣體的分離起著重要作用，實(shí)際上燃料電池堆的設(shè)計(jì)大多是雙極板的設(shè)計(jì)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，合適的流道設(shè)計(jì)可以將電池性能提高50%左右。正極板流道的設(shè)計(jì)主要涉及流道尺寸和流道結(jié)構(gòu)。

1、流道尺寸

流道寬度W：一般為0.5至2.5mm，影響陽(yáng)極板流道中氣體與擴(kuò)散層直接接觸的面積

脊椎寬度L：一般為0.2至2.5mm，影響正極板與擴(kuò)散層的接觸面積，可通過(guò)改變流道與脊椎寬度W/L的值來(lái)調(diào)節(jié)接觸電阻

油路深度H：一般為0.2至2.5mm，在層流范圍內(nèi)加深油路的深度不利于氣體擴(kuò)散到擴(kuò)散層，影響氣體向膜電極的傳遞。

流道傾角θ：一般θ 0°~60°，改變流道截面積，增加膜電極利用面積

流道長(zhǎng)度：流道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，壓力損失越大，后端反應(yīng)氣體濃度越低，容易積聚，產(chǎn)生浸水現(xiàn)象，降低電池性能和穩(wěn)定性。

2、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

目前最常見(jiàn)的是包括平行/可變截面、斜行等在內(nèi)的通道，直通道結(jié)構(gòu)的流動(dòng)主要依賴于氣體的輸送擴(kuò)散，當(dāng)氣體進(jìn)行層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體向MEA的輸送相對(duì)減弱，在流道內(nèi)部形成粗糙面，產(chǎn)生湍流。雖然可以促進(jìn)消耗層氣體和附層氣體的混合，但這種產(chǎn)生湍流的方法會(huì)增加油藏的進(jìn)出口壓力差。

流程設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

（1）介質(zhì)均勻性

A、均勻：平行流道可以提高流體速度和濃度分布的均勻性，通過(guò)拓寬分配流道、改變流道截面積等手段可以實(shí)現(xiàn)流體的均勻分布，催化層局部長(zhǎng)期氣體不足也加速了催化性能的劣化。

B、壓降小：但在一定流量下，通過(guò)反應(yīng)劑流場(chǎng)的壓降是適當(dāng)平均的，一般壓強(qiáng)為20kpa-80kpa。如果壓力太小，反應(yīng)氣體擴(kuò)散層，不利于輸送到催化層，壓力過(guò)大會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的動(dòng)力損失，系統(tǒng)要比空壓機(jī)更適合高壓。

另一方面，雙極板內(nèi)的氣體流動(dòng)是由差壓驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)增加進(jìn)出口差壓，可以更有效地去除電池內(nèi)部的多余液體數(shù)，改善電池性能。

C.氣體短路：氣體短路是指大部分氣體不沿流道流動(dòng)，直接流入脊椎下擴(kuò)散層的現(xiàn)象。少量的氣體短路會(huì)增加氣體進(jìn)入擴(kuò)散層和催化層，同時(shí)有利于排出擴(kuò)散層積水，有利于提高電爐性能

對(duì)于較長(zhǎng)的直通道流場(chǎng)，在繼續(xù)保持流場(chǎng)內(nèi)進(jìn)出口差壓的情況下，通道內(nèi)的流阻不一致，鄰接流道存在較大的差壓，特別是在氣體流速較大的情況下，容易發(fā)生氣體短路，如果流經(jīng)脊擴(kuò)散層的氣體量超過(guò)沿流道的流量，通道的一次短路。附加短路不能利用，短路的結(jié)果是降低氣體流速，不能有效排出流道內(nèi)積聚的液態(tài)水滴，進(jìn)而增加流動(dòng)阻力，加重氣體短路現(xiàn)象的惡性循環(huán)過(guò)程。

（2）數(shù)列管理

A、過(guò)干燥：質(zhì)子交換膜水分蒸發(fā)，膜的質(zhì)子電導(dǎo)率大幅降低，電池內(nèi)部電阻增大。

B.浸沒(méi)：采用普通氧化劑、燃料和制冷劑的流道布置，即燃料和氧化劑的逆流布置，制冷劑和氧化劑的順流布置，從而避免了氧化劑入口側(cè)膜的干燥狀態(tài)和氧化劑出口的浸水現(xiàn)象。

熱管理涉及到水的管理。負(fù)極反應(yīng)完成的空氣攜帶反應(yīng)生成排水溝，高溫空氣含濕量大，溫度過(guò)低生成大量液體水。適當(dāng)?shù)碾p極板設(shè)計(jì)應(yīng)調(diào)節(jié)同一流道內(nèi)各區(qū)域的溫度，以達(dá)到滿意的水熱管理。流道設(shè)計(jì)應(yīng)考慮車輛行駛慣性的影響，在加速、急停等情況下會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)生成水不排放的現(xiàn)象。

（3）接觸電阻

根據(jù)電極和正極板材料的導(dǎo)電特性，流槽的面積應(yīng)該有一個(gè)最佳值。槽面積與電極總面積的比率一般稱為正極板的開(kāi)口率。其值必須在40~75%之間。開(kāi)口率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電極與正極板之間的接觸電阻過(guò)大，從而增加電池的歐姆極化損耗。

（4）支撐強(qiáng)度（小而薄）

一般來(lái)說(shuō)，細(xì)分的通道和脊椎有利于膜電極的機(jī)械支撐。因?yàn)榧?xì)分的通道會(huì)減少脊椎支撐的跨度，增加脊椎的寬度可以提高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，但增加溝槽間距會(huì)減少膜電極與反應(yīng)氣體的接觸面積，增加這部分氣體擴(kuò)散電極積水，窄脊椎的下水道會(huì)從擴(kuò)散層向流場(chǎng)通道內(nèi)移動(dòng)。容易實(shí)現(xiàn)，容易將反應(yīng)氣體擴(kuò)散到催化層，隨著電爐功率密度越來(lái)越高的需求，雙極板越來(lái)越薄，變薄的雙極板機(jī)械強(qiáng)度較低，合理的流道設(shè)計(jì)可以起到肋骨的作用。

3、3D流道

另一方面，二維流道的氣體均勻流受到流道的限制。三維流道為氣體的均勻分布提供了更大的可能性。各氣體通量不局限于單一流道內(nèi)，相鄰流道內(nèi)的氣體相互作用更加自由，產(chǎn)生更多的湍流

另一方面，在現(xiàn)有的槽-脊流道中，反應(yīng)氣體從流道/流道向膜電極的輸送基本上依賴濃差擴(kuò)散，效率降低，3D流道像噴嘴一樣強(qiáng)制對(duì)流，通過(guò)節(jié)流增大流速，可以更好地促進(jìn)氣體進(jìn)入擴(kuò)散層，這是解決堆大功率密度的方向。

（1）窄脊設(shè)計(jì)

窄脊設(shè)計(jì)可以減少水的聚集，因?yàn)榭諝夂蛿U(kuò)散層的接觸面積增大，有利于帶走生成的水。

（2）三維梯度深度波流

三維波形磁場(chǎng)垂直于誘導(dǎo)平面方向存在速度分量，氧氣垂直于誘導(dǎo)平面以對(duì)流形式進(jìn)入催化劑層。隨著電流密度的逐漸增加，氧氣輸送能力增強(qiáng)，濃度損失減小。蛇形油藏下游段流道太長(zhǎng)，容易發(fā)生鎖水現(xiàn)象。為了克服這一問(wèn)題，三維梯度深度波形油藏的誘導(dǎo)深度從上游區(qū)域逐漸減小到下游區(qū)域，該設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步增大垂直于下游區(qū)域誘導(dǎo)平面方向和誘導(dǎo)平面方向的氣體速度，最終提高電池的氧氣輸送和排水性能。