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质子交换膜燃料电池流场板:设计，材料及其表征
- J. Hamilton and B. G. Pollet
关键词：
摘要：本文综述了质子交换膜燃料电池（PEMFC）中流场板（FFP)区域近期的发展。为了更好的表现流场板的作用，综合考虑了流场板的功能和、参数和设计。对流场板的材料和制造方法进行原位及非原位双机板，设计，材料，流场板，质子交换膜燃料电池
表征技术现状描述。
- 背景
世界范围内，由于气候变化，不良健康影响，燃料资源枯竭，安全能源供应、经济和日益紧密的国际立法等问题，发展“无碳”社会的压力越来越大——一个大多数能源来自于可再生能源技术的社会。针对上诉问题，许多人提议在未来的能源经济中将氢作为替代能源载体。因为它在燃烧时或者用作燃料电池时不产生温室气体。燃料电池是一种在不同温度（高达1000℃）下运行的电化学装置，可以持续高效的将化学能（从燃料和氧化剂）转化为电能能量。燃料电池可以分为和多种，包括碱性（AFC），磷酸（PAFC），熔融碳酸盐（MCFC）,固体氧化物（SOFC)和聚合物电解质燃料电池（PEMFC），后者又被称作质子交换膜燃料电池，其效率高达60%，工作温度高达180℃。有两种类型的质子交换膜燃料电池：一种用氢做燃料，另一种用甲醇直接甲醇做燃料，它们都拥有膜电极组件（MEA），这是燃料电池的核心，化学反应发生的地方。MEA是多层膜结构，由质子交换膜以及其两侧的催化层和扩散层（GDL）组成。目前，PEM最有前景的应用是在汽车行业，对公共汽车，小轿车和摩托车的实验越来越普遍。然而其他应用包括便携式，固定或后备电源单元。成本，性能和耐久性仍有待改进，如果质子交换膜燃料电池成为一个可行的替代能源技术。例如，作为一个经验法则，流场板花费燃料电池10%的价格（对于5KWnet电堆是7.7%）却占了整个质子交换膜燃料电池总重量的60%以上。为此，燃料电池堆的重量、体积和成本可以通过优化流场板的结构和使用轻质材料明显减少。不同的材料组合，流场的设计和制造技术已被开发用于实现上述功能的有效制剂，与主体范围获得高性能和经济优势。
- 流场板介绍
FPP，也称为单极板（在一个单一的细胞）和双极板（BPP，当使用堆栈），是质子交换膜燃料电池堆的许多重要的组件中的一个，它向MEA提供燃料和氧化剂，除去水，收集产生的电流，并为堆栈中的单个单元提供机械支持（图1）。流场板拥有众多的功能对质子交换膜燃料电池的性能产生巨大影响，例如：
- 分割电池中的气体；
- 在阳极和阴极之间提供导电介质；
- 为反应气体均匀分布提供流场通道；
- 为电堆提供坚实的机械支撑；
- 便于水和热量的管理；
MEA 膜电极
FFP 流场板
A simplified hydrogen fuel cell 简易氢燃料电池
US Department Of Energy (DOE) targets for FFPs 美国能源部流场板标准
Properties 性能 Units 单位 2015DEO target 2015年DEO标准
Cost (based on 2002 $ and volume production of 500,000 stacks per year）成本（以每2002美元和500000个电堆的产量为基础每年）
Weight 重量
Electrical conductivity 电导率
Resistance (including contact resistance) 电阻（包括接触电阻）
Flexural strength (ASTM C-651-91) 抗弯强度（ASTM c-651-91）
Corrosion resistance 耐腐蚀性
H2 permeability (at 80℃and 3atm) 氢气渗透率（80℃和3atm）
由于FFP的多方面要求，适用性能如气密性、导电性、机械强度、耐腐蚀、易于加工、成本低廉的要求。美国能源部（DOE）提出了绩效目标FFP性能如表1。
质子交换膜燃料电池制造商绝大多数使用FFP堆叠排列如图1所示，然而值得注意的是，简单的替代方法也被运用。这方面的一个例子是“一步”集成电堆的方法在英国由ITM公司运用。
- 成本与重量分析
流场板的重量和成本占整个燃料电池堆的比例高度依赖于一些用于计算的因素。例如，流场板对整个电堆成本的影响取决于流场板的材料、用于电堆如MEA、垫片的制造工艺和其他材料、电流收集器和终板。它还受流场板材料重量和厚度、在电堆的流场板设计和最后的其他成分的重量型的影响。由于各种因素的影响，研究是不容易比较的，在相对成本和重量方面有很大的范围，如表2所示。
虽然这些研究程度不同，它们都表明流场板成本和重量是优化电堆的重要组成部分。相对流场板成本和重量可通过优化前面提到的因素降到最低。
Flow field plate relative cost and weight 流场板相对成本和重量
Authors 作者 FFP material 流场板材料
FFP% of stack cost 流场板电堆的成本
FFP% of stack weight 流场板电堆的重量
stack power 电堆能量
Graphite石墨 Coated metal涂层金属
Injection moulded graphite composite 注射成型石墨复合材料
Stamped stainless steel 冲压不锈钢
Not specified 未标明
- 全球制造商
目前的流场板制造商主要围绕制造石墨复合材料，只有少数生产金属流场板。然而，对质子交换膜燃料电池汽车应用高体积功率密度的金属流场板的诱惑可能引起生产厂家的兴趣。
- 流场设计
流场板流场的设计将极大的影响质子交换膜燃料电池的性能，必须将反应气体均匀地分布在MEA上，防止产品进水。如果这些功能受损，反应物将不能通过MEA，导致燃料电池性能下降。此外，它必须与MEA提供良好的电接触，以提供低电池电阻（这反过来又会影响反应物的分布）。流场设计有三个方面：（一）流场分布模式；（二）断面形状；（三）岸和槽尺寸。流场设计广泛的审查是由 Li 和 Sabir进行的。
5.1明槽设计
开放式槽设计包括点型，直流道，蛇形，如图2所示。
大多数开放式通道板设计都是图2所示的模式的变化。在所有的板设计中，从入口到出口的流动方向都有一个反应物压降。当氢气和氧气流过流动槽，他们进入扩散的扩散层和在MEA的消耗造成沿流动通道的气体浓度降低。
由Li和Sabir的讨论，在点型和直流道的设计中，因为它们的输入到输出的多路径，反应很容易分布在膜的表面。因此，一个低的压力可以用来推动反应物通过。这将导致由于低的空气压缩而导致低寄生功率损失。然而，这种多重路径设计也使得气体沿阻力最小的路径优先流动。任何堵塞，如水滴的形成，都不可能被排除，因为压力不够沿堵塞的槽，迫使水出来。这种堵塞会导致反应物分布不均匀，燃料电池性能较差。与此相反，单一蛇形设计只有一个长的流动通道与一系列交替180°旋转的气体流过。这种设计的主要好处是由单通道提供，以确保任何水形成利用较高的压力除去。Li等人讨论了单蛇形流场结构的一些问题。首先，需要较高的空气压缩压力，以推动气体通过长的单通道，从而导致高寄生功率损耗。这种长通道也可能导致反应物浓度从入口到出口大幅度下降，从而造成MEA活性区电流密度的波动。Wang也曾提出，高压会导致由于磁场压力高，由于反应器气流下游携带过多的液态水，导致通道出口附近的水膜脱水。
反应物的压力在燃料电池和流场板的性能起着决定性的作用。一方面，低气压有利于避免高寄生损失。另一方面，高的空气压力可以以确保不发生水淹和并且在流场尾端可以保证有足够的气体浓度。因此，最佳压力和最佳折衷是除水所需的最小压力，同时确保反应物分布均匀。蛇形流场的发展正好符合这两种要求。这些包括在入口和出口连接的多个较短的蛇形通道，如图2所示。
图2 点型流场板，直流道形流场板，单蛇形流场板，多蛇形流场板等
5.2仿生设计
在上世纪90年代，摩根燃料电池有限公司（MFCL）开发的“仿生”设计了基于“自然”的流场图案如动物肺和植物组织[ 10 ]。设计有大的分支，逐渐变小。他们使用专利electroetch过程而不是电脑数值控制（CNC）加工制造。早期的结果显示16%的燃料电池的峰值功率的提高，然而，流场板的高压降的问题依旧发生了。
5.3交指设计
另一种“交指”的设计是由Wood等人设计的。这个流场模型没有直接连接的入口和出口通道，而是完全依赖于对流机制，气体在流场板流动和穿过岸和槽通过GDL和进入出口通道如图3所示。
GDL的渗透性和厚度明显的特点对这种对流机制的有效性有显著影响。众所周知的商业产品包括 TORAYtrade;, ELATreg;, CARBELreg;, AVCARBreg; and Sigracetreg; GDLs。
这种对流机制的主要优点是，它GDL的除水作用和防止防止MEA的水淹。然而，它也要求高压力迫使气体通过，从而导致更高的寄生损失。Wang和Liu研究了交指流场领域的性能，发现随压力和温度的提高性能也逐渐提高（有足够的加湿）。然而，研究发现交指设计在低湿方面比蛇形设计反应物更敏感。
Zhang等人比较标准交指和单蛇形流场的电流分布。结果表明，在任何工况下的电流分布在交指流场更加均匀，即使在非常低的气体流量、干气进料和反应气体加湿的情况下。两种流场的电流分布都受到反应气体加湿的显著影响。反应气体加湿时交指流场比蛇形流场性能好，当湿度不够时交指流场的性能更差。与蛇形流场相比，交指流场的具有较高的除水能力，但同时也导致了它需要较高的最佳反应气体加湿温度。
最近Kloess等人设计的仿生交指设计（见图4）。有改善压力分布，减少压力损失和提高电池性能的高达30%的峰值功率密度和单蛇形和标准交指设计相比。这是在2个atm（H2和空气）背压、75°C温度和相对湿度100%的条件下进行的。在0到1 atm之间的性能增加比1到2 atm更为显著。当然，在比较燃料电池的性能时，由于空气压缩而产生的寄生损失的影响没有考虑在内。
图3 交指流场中的对流机制
Membrane 膜 Gas Diffusion Layer 气体扩散层
Flow Field Plate 流场板 cross sectional view 剖视图
图4仿生的“叶”和“肺”形交指流场
5.4明槽的对流设计
Park and Li已经确定相同的对流机制下，在传统的开放式蛇形流场通道中使用交指设计是一个重大的发现。这种机制的可行性是因为设计使用了一个长的多匝通道，在相邻通道之间产生高压力梯度。这反过来又促进交叉反应物通过通道到通道层。Park and Li还发现交指流场是高度依赖GDL特性，其三维建模表明最重要的两个影响横流的因素是GDL的渗透性和厚度。对流增强蛇形流场（cesff）是由Xu和Zhao利用这一发现使用变化的蛇形设计开发的。他们通过以特定的方式修改蛇形结构，增加了相邻流道之间的压力梯度，如图5所示。由于对流机制的影响，这种改进的传质能力提高了蛇形流场的性能。这种设计也可适用于包含多个通道的流场。
由 Kumar and Reddy证明使用多孔材料是另一种降低明槽流场和渐变交叉流场的有效渗透率的方法。他们使用了几种不同类型的泡沫金属，发现渗透性最低的泡沫使电池性能提高。虽然这是一个新颖的概念，但它引起了额外的制造过程和腐蚀问题，如第6节后面讨论的那样。
不幸的是，作者们无法找到最近关于交指、多蛇形和对流增强的多蛇形设计流场之间的性能比较。
图5对流增强蛇形流场（cesff）设计结构
5.5流道的几何形状
流场板的通道几何形状如图6所示，包括通道宽度（c），平面（也称为肋）宽度（l）和通道深度（d）和着陆角（a）。已经进行了一系列理论和实验研究以确定流场板的最佳通道几何形状。考虑到燃料分配，除水能力和运行条件受几何形状的影响。 Scholta等人使用平行流场研究了通道几何对性能的影响。他们首先使用计算流体动力学（CFD）程序确定平行流场的通道深度超过1.5毫米会导致大量氧气未被利用，其次，超过2毫米的岸宽度导致显着减少通过岸的氧气浓度。实验表明，最佳槽和岸宽度取决于操作条件; 对于高电流密度应选较小的槽尺寸，而在低电流密度下选较宽尺寸较好。在所考虑的操作条件下，岸和槽宽度在0.7和1mm之间被确定为最佳。 阿赫塔尔等人研究了槽深度对性能的重要性。他们测量了基于平行流场的槽深度为1.5、1和0.6mm的电池电压（V），发现最低槽深度为0.6mm是最有利的。
如图7所示，在膜电极的岸或槽下的电流分布也在优化流场设计方面进行了研究。
Wang和Liu 发现，除了使用简化的流场板在高电流密度下工作以外，其他电池岸处的局部电流密度高于槽处的局部电流密度。这种差异归因于扩散层以及岸和渠下的催
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