1.4.2 供气分配机构

在电堆模块中，通过端板上的歧管对接氢气供给子系统、空气供给子系统及水热管理子系统上的对应接口，实现对电堆模块的供气和供液。进入电堆模块的气体再由模块中的供气分配机构将气体及冷却液输配给每个单电池，以发生电化学反应并进行电池热量转移。电堆供气分配机构主要由与歧管连接并贯穿各部件的腔口通道及双极板内的流场微通道组成。

电堆模块端板及其歧管接口如图1-10所示，电堆模块端板上通常包括6个接口，分别是氧气（空气）入口、氢气入口、冷却液入口、氧气（空气）出口、氢气出口、冷却液出口；6个歧管接口的位置布置根据设计采用的流动方式而定，流动方式主要有三种，分别为逆流、交叉流、并流，如图1-11所示。根据流体接口是否位于同侧可将流体流动方式进一步划分为同侧逆流、同侧并流、同侧交叉流、异侧逆流、异侧并流和异侧交叉流6种流动方式。在图1-10中，电堆模块采用了同侧并流的设计，即反应气体接口位于同侧且并行流动，而冷却液接口则设置在另一侧端板。

流体由端板处歧管接口进入电堆模块后，在各组件预设腔口组成的通道中流动，各组件通常具有6个预设腔口并与相应歧管接口相通；流体依次流经绝缘板及集流板预设腔口后抵达单电池重复单元的双极板腔口；根据双极板腔口与双极板两侧流场的连通状态，选择性地进入相应的流场通道（氢气进入氢气侧流场，氧气则进入另一侧的氧气侧流场）；在单电池重复单元中，供气和供液按照上述方式被较为均匀地分配至各个双极板流场中。图1-12展示了一组单电池双极板内的氧气、氢气及冷却液流动状况，流体自双极板腔口进入双极板流场后，由于流场的特殊加工设计，流体首先通过流场主通道被引导进入双极板流场中，而后进入分配区被进一步均匀分配至各流道，继而进入活性区，流体在活性区沿着流道渗透进入内侧膜电极参与反应。而未参与反应的气体及完成换热的冷却液通过流场流道进入双极板另一侧的回气腔口中，通过各组件预设腔口组成的回气通道后离开电堆模块。双极板内流场的结构如图1-13所示，按照区域不同可分为腔口区、主通道区、分配区及活性区。其中，腔口区为流体提供电堆层面的公共流道；主通道区将双极板腔口与双极板内流场连通，将流体引入流场；分配区将来自主通道的流体进一步均匀分配；活性区将流体尽量多地渗透进入膜电极参与电化学反应。

从燃料电池技术产生以来，人们就对流场进行了大量研究，目前常规流场有交指流场、平行流场、蛇形流场等，其结构如图1-14所示。其中，平行流场具有较多的相互平行的通道，流程距离短，进出口压损小，通道并联有利于反应气体及冷却液在通道内的均匀分布，同时直流道结构简单，易加工。其缺点是反应气体在直流道中存留时间短，气体利用率低，流速相对较低，产生的水不能及时排出，易造成堵水。蛇形流场有单通道和多通道之分，图1-14c为单蛇形流场，所有气体在一根流道中流动，气体流速很大，且流道长，造成压损过大，虽有利于反应水的排除，但不利于电流密度的均匀性和催化剂的利用。而且单根流道一旦堵塞，会直接导致电池无法使用，为了避免这种情况，多采用多通道蛇形流场，其兼有平行流场和单蛇形流场的优点，即使单根流道堵塞，其他流道也会发挥作用，同时相同活性面积采用多通道有利于减少流道的转折，可有效降低压力损失，保证电池的均匀性。交指流场的特点是流道是不连续的，气体在流动的过程中，通道堵塞，迫使气体向周围流道扩散，这个过程会使更多的气体进入催化层进行反应，有利于提高气体利用率，提高功率密度。同时在强制对流的作用下，岸部和扩散层中的水极易排出。同时气体经过扩散层强制扩散，会产生较大的压降，如果气流过大，强制对流可能会损伤气体扩散层，降低电池性能。现在也在不断开发新型流场，如仿生流场、螺旋流场、3D流场等。