质子交换膜燃料电池仿生流道研究进展.pdf

2023.7Vol.47No.7综述收稿日期：2023-01-17作者简介：杨蕊(1998)，女，湖南省人，硕士，主要研究方向为PEMFC流场设计。质子交换膜燃料电池仿生流道研究进展杨蕊，谢旭良(长安大学 汽车学院，陕西 西安 710000)摘要：质子交换膜燃料电池(PEMFC)中流道具有不可替代的作用，双极板中的流道设计是目前最活跃的研究领域之一。结合国内外文献，根据仿生学的不同原型，将仿生流场分为叶形、肺形、非常规形三类，分别分析不同阶段设计重点，并从优化方法、制造方法总结了近年来双极板设计及制造的重点趋势，为未来质子交换膜燃料电池流场的设计提供相应的参考和指导。关键词：质子交换膜燃料电池；仿生流场；仿生流场优化中图分类号：TM 911文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)07-0848-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.07.005Research of biomimetic flow channel of PEMFCYANG Rui,XIE Xuliang(Automotive Department,Changan University,Xian Shaanxi 710000,China)Abstract:Bipolar plate plays an irreplaceable role in proton exchange membrane fuel cell(PEMFC).The design offlow channel in bipolar plate is one of the most active research fields at present.Combined with domestic and foreignliterature,according to different prototypes of bionics,the bionic flow channel was divided into leaf shape,lung shapeand unconventional shape,and the design was analyzed focus of different stages respectively.The key trends of bipolarplate design and manufacturing in recent years were summarized from the optimization methods and manufacturingmethods,which provided corresponding reference and guidance for the design of flow channel of proton exchangemembrane fuel cell in the future.Key words:PEMFC;bionic flow field;bionic flow field optimization燃料电池可以直接将化学能转变为电能，与内燃机相比，由于不受卡诺循环的限制，效率更高，且产物只有水生成，对环境更加友好，符合目前低碳理念。双极板占据了质子交换膜燃料电池(PEMFC)绝大部分质量，起到支撑、传输电流、串联单电池以及提供流场等作用。流场即双极板中反应气体通过的通道，对燃料电池性能影响巨大。流场的关键作用是：使反应气均匀分布，避免热点与过冷点产生；输入反应气，输出产物，避免水淹；最大化双极板和气体扩散层的接触面积以促进电子传输；最小化进出口压降以减少寄生功率1。因此流场的设计对燃料电池总体性能至关重要。传统流场主要是指平行流场、蛇形流场和交指形流场。平行流场结构简单且进出口压降低，但容易发生水淹；蛇形流场性能好且除水能力强，但压降较高；交指形流场反应气反应充分且除水能力较强，但压降较高且气体流速过快易损坏质子交换膜2。而仿生流场相对于传统流场来说可以在提高燃料电池性能的同时不产生过大的压降，对质子交换膜损害也很小。为了进一步提高PEMFC的性能，研究人员对仿生流场进行了深入研究。1 仿生流场设计1.1 叶形流场叶形流场的开发主要经历了三个阶段，第一个阶段是仅根据叶脉结构进行简化设计，不做任何改进。这个阶段的叶形流场从入口到出口有多个通道，各通道长度以及角度基本不相等，其本质上是一个串联和并联相结合的流道。文献3-4根据叶脉形状进行简化处理来设计流场。仿真结果显示，叶形流场的峰值功率与排水性能均优于平行流场，但峰值功率略低于蛇形流场。第二个阶段是在第一个阶段的基础上结合传统流场的一些特点对叶形流场进行改造，进一步提升燃料电池性能。该阶段叶形流场一般与交指形流场特点相结合，即没有从入口到出口的直接路径，使得入口反应气体仅能进入气体扩散层到达催化层发生反应，未反应的气体以及水蒸气无法直接从入口流道流出，只能通过气体扩散层逸散到出口流道，从而最大化反应气体的利用率。Safaa A.Ghadhban 等5设计一款叶形流场，如图1(a)所示。实验结果显示，该叶形流场优于蛇形流场。但该叶形流场并未完全结合交指形流场特点，仍存在进出口直接相通的主流道，无法有力证明结合交指流场特点的叶形流场的优越性。为证明加入交指设计的优越性，Guo等6则根据叶脉设计了两种流场，一种结合了交指形流场，如图 1(b)所示，另一种仅根据叶脉形状调整，如图 1(c)所示，并将其与蛇形流场及传统交指形流场进行对比。研究结果表明，两种仿生流场最大功率密度均高于传统交指流场和蛇形流道，交指仿生流场又优于非交指仿生流场。Srinivasa7制造了一款结合交指形结构的叶形流场与三通道蛇形流场以及普通叶形流场进行对比。实验结果证明，结合交指形的叶8482023.7Vol.47No.7综述形流场表现出最佳性能，进一步证明加入交指形叶形流场的优越性。第三个阶段是在第一或第二阶段确定了基本构型后，再根据分叉角度以及其他影响因素来重新确立新构型，从而实现定量的优化。R.Roshandel等8通过实验比较入口和壁面的三种角度(30、45、60)在不同的情况下叶形流场的性能。该流场主流道存在渐缩。实验结果显示，角度为45表现最好。但该实验未考虑不同操作情况下分叉角度对流场性能的影响。Lian等9则在不同操作情况下研究主通道与子通道不同夹角对燃料电池性能的影响。仿真结果显示，低电流密度区域，角度对电池性能几乎无影响；高电流密度区域，角度为15的流场性能优势明显。上述文献因为操作条件以及流场构型的不同，对于最优分叉角得出的结论并不一致，但可以确定的是分叉角度过大不利于流场性能提升。当角度过大时，大量反应气直接通过主流道快速流出，只有少数反应气流入二级通道，因此无法形成均匀的气体分布，且大部分反应气直接从出口流出，导致气体利用率降低，进而导致燃料电池性能下降。然而也不是角度越小越好，当角度过小会导致流道阻力过大，不利于流道间流体流动。综合考虑，最佳角度范围在1545。除了寻找最优分叉角度外，Liu等10还研究了在重力影响作用下非对称叶形流道对燃料电池性能的影响。非对称叶形流道即两侧次级流道与主流道入口错开，且主流道宽度从入口到出口逐渐缩小。实验结果显示非对称叶形流道水管理性能优于对称叶形流道。第三阶段是在第一二阶段得出的较为简单的结构基础上进行定量优化，其主要目的是为了制造方便，以加速叶形流场的实际应用。1.2 肺形流场肺形流场的研发具有四个阶段，前两个阶段与叶形流场类似，即仅根据肺部结构进行简化设计以及结合传统流场特点进行设计。Asadzaze等11以肺部结构为灵感设计了一款肺形流场，数值模拟结果显示，与三通道蛇形流场相比，该肺形流场压力损失更小，反应气速度和分布更均匀。但该肺形流场简化程度低、结构复杂。为进一步验证肺形流场的性能，Ozden 等12使用结合交指形的肺形流场与叶形流场进行对比，肺形流场表现出最差的性能。通过对文献的分析发现，肺形流场与叶形流场在性能上相比还存在一定差距，且与传统流场结合并未对肺形流场有很大的提升。这是由于结合传统流场会增加结构复杂性，导致压降增加，而肺形流场结构相比于叶形流场结构更加复杂。因此再通过结合传统流场特点增加复杂度反而不利于燃料电池性能的提升。第三阶段则是在第一阶段的基础上结合分形流场13的设计流程以及 3D流场14的结构特征进行流场设计。分形流场的设计流程即先设计一个简单小通道，再由小通道分形扩展形成完整的流场。3D流场则是最新提出的流场概念，与其他流场在结构上相比，3D流场中反应气是径向流动，反应气通过流道垂直进入扩散层，显著提升了反应气体利用率。P.Trogadas 等15采用肺启发方法开发了一款肺形 3D 流场。采用 3D 打印技术制造流道模型进行实验，结果表明，4级分支的肺形结构表现最优，性能优于蛇形流场。但该流场也存在着致命的缺陷，由于 3D 结构特点导致反应生成的水很难排出，尤其是低电流密度情况下，水蒸气冷凝成液态水极易造成通道堵塞，极大地影响燃料电池性能。J.I.S.Cho等16采用中子成像技术对 P.Trogadas等制造的四级分叉肺形 3D 流场进行观察，证明了这一缺陷的存在。因此综合来看3D肺形流场在水管理优秀的情况下性能十分优异，但流场的制造需要3D打印,成本昂贵，因此目前并未广泛使用。第四个阶段是目前最新的研究方向，其基于算法的高速发展，与分形设计有所类似，即都是先设计一个简单的流道结构，不同在于分形设计最终流道是基于简单流道的分形扩展，而该阶段流道的最终设计则是基于算法优化过程中的自由演变。Behrou等17采用拓扑优化方法设计流道，即仅给出一个肺部外轮廓图形，优化过程中自由演变出具有最均匀电流密度与最大发电量的流场。仿真结果表明肺形流场相比于平行流场平均电流密度提高了 248.6%。在流道中引入算法能最大程度地对流道进行定量优化及控制，是目前最具有前景的设计方向。1.3 非常规形仿生流场除了叶形和肺形这两类流场外，研究人员还开发了以血管分布18、人体肠系膜上主动脉和其分支血管结构19、墨鱼鳍20、鱼骨21以及蜂窝22为原型的一些非常规形状的流场，均被验证具有优越性。非常规形流场的设计还停留在仅根据仿生原型形状进行简化设计上，研究并不深入，但是我们从这些非常规性仿生流场中可以看出，凡是能降低流动阻力的结构和形状均可尝试用于燃料电池流道设计中以降低压降，这也为研究人员进一步扩展了流场的设计思路。2 基于仿生流场的结构优化仿生流场结构拥有更好的均匀性和更低的压降，但是由于其结构的复杂性经常会导致局部积水问题，且随着对燃料电池功率密度要求不断提高，使得水管理问题日益突出。除了对流道尺寸进行优化等常规手段外，目前优化设计的重点几乎都已经放在了如何促进水平衡问题上。2.1 流场结构尺寸优化流场结构尺寸目前主要通过默里定律以及算法来进行优化。默里定律是指主流道直径的立方等于所有子流道直径的立方之和，该定律能在固定流量体积时最小化流量损失。肖勇23使用默里定律对仿生流场进行了尺寸改进，数值模拟结果显示优化尺寸后流场功率密度得到了提升，但缺乏实验验证。Guo等6也使用默里定律优化交指形叶形流场，并用实验证明了使用默里定律优化尺寸后的仿生流场功率密度的均匀性得到了很大提升。此外，一些研究人员也采用算法优化流场结构尺寸，使得流道结构定量分析成为可能。Behrou等17采用拓扑优化结构尺寸，并用实验验证了优化后的流场性能得到显著提升。Cai等20则采用遗传算法对仿生波浪型流场的中心振幅和波周期数进行优化，提升了燃料电池的功图1叶形仿生流道结构示意图5-68492023.7Vol.47No.7综述率密度。2.2 辅助通道燃料电池容易在高电流密度下出现水淹问题，尤其对于结构复杂的仿生流场，在高电流密度下的局部水淹问题大大制约了燃料电池性能的提升。为解决高电流密度下水管理问题，一些研究人员尝试使用增加辅助通道来促进水平衡。Baik等24提出了多孔金属双极板的新概念，即在双极板肋板处开孔，从开孔处供给额外的氧气，其结构见图2(a)。实验结果显示，该结构对阳极以及供应纯氧的阴极影响不大，对于阴极供应气体为空气的燃料电池，在高相对湿度条件下，能显著提高电池功率密度。对阴极供应纯氧的燃料电池影响不大的主要原因在于未改变气体的流动，即使增加了辅助通道，但在气体自由扩散的情况下进入扩散层的反应气数量不会有太大的变化。且增加多孔结构仅仅只能在水生成较多的情况下帮助排水，无法在缺水情况下对电池进行供水。为了解决这一问题，Cho等25使用毛细管阵列来帮助维持燃料电池内部水平衡，即在双极板肋部增加一系列极细的排水管，通过毛细管阵列后的通道既可以帮助排水也能在缺水时实现供水，见图 2(b)。实验结果表明，低电流密度下影响不大，但在高电流密度下，增加毛细管阵列的流场峰值功率得到了显著提升。以上文献均是在流场肋部增加辅助排水通道，结构过于复杂。吴明格26直接在仿生流场的设计中加入主动排水流道，即在相邻两进气流道之间增加一道蛇形出气/排水流道，如图2(c)。蛇形流道的加入既能供应反应气，又能促进水平衡。其次，该结构还降低了仿生流场流道的复杂性，减少了流场单通道长度，使得排水流道所占面积增大，从而进一步降低了水淹的风险。实验结果证明主动排水叶脉状流场净输出功率密度得到了很大提升，相比于未增加排水流道的叶形流场，其水淹现象得到明显改善。综合来看，辅助通道的增加能极大程度上促进水平衡。因此，增加辅助通道成为目前水管理最有效的优化手段。2.3 逆流策略逆流策略即改变阴阳两极进出口位置，使得阴极和阳极进口位于对角线两侧，这种布置方法是为了实现燃料电池自增湿以达到更好的水管理效果。张卿雷等27通过数值模拟和实验对逆流蛇形流场进行了分析。结果显示，在阳极反应气为干氢气或者阴极反应气为空气时，逆流流场电池性能显著高于顺流流场。周玮28将逆流策略用于仿生流场，根据仿真结果显示，使用逆流策略的肺形流场有显著的性能提升。逆流策略较为简单，且一定程度上能促进水平衡，在较低功率密度燃料电池上使用能够获得较大的收益，但随着功率密度进一步提高，逆流策略所起的作用就微乎其微。3 双极板制造双极板的材料以及制造方法与燃料电池能否工业化直接相关。目前适用于制造双极板的材料主要有金属、石墨以及复合材料。金属双极板目前三种主要制造方法是粉末冶金、冲压和液压成形。粉末冶金技术适合大规模生产且能制造复杂形状，但前期需要大量投入；冲压技术制造复杂度高的双极板成本极高；液压成形需要解决局部变形以及成本问题。石墨双极板的主要制造方式包括压缩和注塑成型。压缩成型需要解决精度问题；注塑成型可以制造各种复杂形状，适合于大批量生产，但制造周期较长。传统的制造方式受材料、设备限制，制造复杂双极板成本会急剧上升，而添加剂制造(AM)技术能很好地解决这些问题。Margarita 等29使用了激光粉末层融合(PBF-L)技术。该技术属于一种AM技术，实验结果显示，该制造技术与传统技术制造的双极板性能差异极小。PBF-L技术利用激光的能量叠加金属粉末，然后冷却成型。相比于传统技术，该技术可以快速进行不同双极板设计，制造更轻、更便宜的双极板，无需后处理，同时节省材料和时间，且无需高昂的工具成本，允许快速更改设计并从设计阶段快速过渡到制造阶段，十分适合仿生流场等较为复杂的流场制造。目前来说，还不存在一种绝对优秀的双极板制造技术，AM 技术可以作为仿生流场设计的过渡技术，低成本筛选出最优的仿生流场。要实现大规模生产，主要还是依靠粉末冶金以及注塑成型技术，这两个技术均可在不过度增加成本的基础上制造复杂形状双极板，其缺点是前期投入过高，需等待质子交换膜燃料电池市场的进一步扩大。4 结论综上所述，仿生流道具有优越性，能使反应气更均匀地分布在催化剂表面，且带来较低压降，大幅提升了PEMFC性能。其中叶形流道由于其结构简单，降压效果显著，性能优异，成为目前最有前景的仿生流道。仿生流道的开发主要有两条思路：一是基于简单仿生流道结构进行定量优化，算法优化被认为是最有前景的定量优化方法，但性能提升有限，仍需深入研究；二是综合其它流场的优点设计新型仿生流道，其中增加辅助排水通道来解决水管理问题，利用AM技术实现低成本复杂双极板制造，但大批量制造成本较高，难以应用到实际生产中。因此，优化算法的发展，创新流场结构，改善水平衡问题，以及不断寻求低成本复杂流场的制造方法是燃料电池仿生流道发展的关键。随着材料和制造技术进一步提升，市场规模进一步扩大，两种思路可以进行结合，仿生流道将会有更大的发展空间。参考文献：1ARVAY A,FRENCH J,WANG J C,et al.Nature inspired flowfield designs for proton exchange membrane fuel cellJ.Int JHydrogen Energy,2013,38(9):3717-3726.2梁凤丽，闻冉冉，毛军逵，等.PEMFC流道结构研究现状及发展趋势J.南京航空航天大学学报，2021，53(4)：477-503.3王泽英，陈涛，张继伟，等.基于仿生结构流场的质子交换膜燃料电池的性能J.清华大学学报(自然科学版)，2022(10)：1697-1705.4樊文选.基于玉米叶脉结构的PEMFC双极板主流场水管理研究D.长春：吉林大学，2021.5GHADHBAN S A,ALAWEE W H,DHAHAD H A.Study effects图2辅助通道示意图8502023.7Vol.47No.7综述of bio-inspired flow filed design on polymer electrolyte membranefuel cell performanceJ.Case Studies in Thermal Engineering,2021,24:100841.6GUO N N,MING C L,UMIT O K.Bio-inspired flow field designsfor polymer electrolyte membrane fuel cellsJ.Int J HydrogenEnergy,2014,39(36):21185-21195.7BADDURI S R,SRINIVASULU G N,RAO S S.Influence of bio-inspired flow channel designs on the performance of a PEM fuelcellJ.Chinese Journal of Chemical Engineering,2020,28(3):824-831.8ROSHANDEL R,ARBABI F,KARIMI M G.Simulation of aninnovative flow-field design based on a bio inspired pattern forPEM fuel cellsJ.Renew Energy,2012,41:86-95.9LIAN Y T,XIE Q Z,ZHENG M G.Investigation on the optimalangle of a flow-field design based on the leaf-vein structure forPEMFCJ.Journal of New Materials for Electrochemical Systems,2020,23(4):262-268.10LIU S H,CHEN T,XIE Y,et al.Numerical simulation andexperimental study on the effect of symmetric and asymmetricbionic flow channels on PEMFC performance under gravityJ.IntJ Hydrogen Energy,2019,44(56):29618-29630.11ASADZADE M,SHAMLOO A.Design and simulation of a novelbipolar plate based on lung-shaped bio-inspired flow pattern forPEM fuel cellJ.Int J Energy Research,2017,41(12):1730-1739.12 OZDEN A,ERCELIK M,OUELLETTE D,et al.Designing,modeling and performance investigation of bio-inspired flow fieldbased DMFCsJ.Int J Hydrogen Energy,2017,42(33):21546-21558.13RAMOS-ALVARADO B,HERNANDEZ-GUERRERO A,ELI-ZALDE-BLANCAS F,et al.Constructal flow distributor as abipolar plate for proton exchange membrane fuel cellsJ.Int JHydrogen Energy,2011,36(20):12965-12976.14 SHEN J,TU Z K,CHAN S H.Performance enhancement in aproton exchange membrane fuel cell with a novel 3D flow fieldJ.Applied Thermal Engineering,2020,164:114464.15 TROGADAS P,CHO J I S,NEVILLE T P,et al.A lung-inspiredapproach to scalable and robust fuel cell designJ.EnergyEnviron,2018,11(1):136-143.16 CHO J I S,NEVILLE T P,TROGADAS P,et al.Visualization ofliquid water in a lung-inspired flow-field based polymer electrolytemembrane fuel cell via neutron radiographyJ.Energy,2019,170:14-21.17 BEHROU R,PIZZOLATO A,FORNER-CUENCA A.Topologyoptimization as a powerful tool to design advanced PEMFCs flowfieldsJ.Int J Heat And Mass Transfer,2019,135:72-92.18 WANG C T,HU Y C,ZHENG P L.Novel biometric flow slabdesignforimprovementofPEMFCperformanceJ.ApplEnergy,2010,87(4):1366-1375.19 HUANG H Z,LEI H,LIU M X,et al.Effect of superior mesentericartery branch structure-based flow field on PEMFC performanceJ.Energy Conversion And Management,2020,226(15):113546.20 CAI G C,LIANG Y M,LIU Z C,et al.Design and optimization ofbio-inspired wave-like channel for a PEM fuel cell applyinggenetic algorithmJ.Energy,2020,192:116670.21 WANG Y L,CHAO S,QIN Y Z,et al.Bio-inspired design of anauxiliary fishbone-shaped cathode flow field pattern for polymerelectrolytemembranefuelcellsJ.EnergyConversManag,2021,227:113588.22 ZHANG S Y,LIU S,XU H T,et al.Performance of protonexchange membrane fuel cells with honeycomb-like flow channeldesignJ.Energy,2022,239:122102.23 肖勇.基于仿生学与TRIZ理论的PEMFC双极板流场结构设计D.武汉：武汉理工大学，2012.24 BAIK K D,LEE E H,YOON H,et al.Effect of multi-hole flowfield structure on the performance of H2/O2polymer electrolytemembrane fuel cellsJ.Int J Hydrogen Energy,2019,44(47):25894-25904.25 CHO J I S,NEVILLE T P,TROGADAS P,et al.Capillaries forwater management in polymer electrolyte membrane fuel cellsJ.Int J Hydrogen Energy,2018,43(48):21949-21958.26 吴明格.燃料电池双极板仿生流场主动排水机理与表面改性研究D.杭州：浙江工业大学，2016.27张卿雷，朱凤鹃，闫晓晖，等.逆流策略对PEMFC的水管理和电池性能的影响J.电源技术，2018，42(12)：1846-1849.28周玮.质子交换膜燃料电池逆流流场传质分析及优化D.长春：吉林大学，2021.29 SANCHEZ-MOLINA M,AMORES E,ROJAS N,et al.Additivemanufacturing of bipolar plates for hydrogen production in protonexchange membrane water electrolysis cellsJ.Int J HydrogenEnergy,2021,46(79):38983-38991.851