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提高电堆功率密度是推进电堆技术产业化和完善技术链的关键。双极板作为质子交换膜燃料电池的重要部件，对气体分布和水传输具有重要作用。流场的设计和加工是为了在阴极和阳极两侧分别以最小的压降向气体扩散层和催化层提供所需的氧气和氢气。流场中反应物分布不良或不均匀会导致不均匀的电流密度、膜中的局部热点、性能退化和材料退化等问题。更好的流场设计将有助于降低传质损失、避免阴极水淹、完善水管理和提高电池输出功率。
气体分布均匀性与压力是流道设计的两个关键性指标，气体分布均匀性越高，电池的输出性能越好；压降越小，电池泵送能耗越低。不同的流场形式下，气体分布均匀性与压降的差异较大。常见的流场形式包括平行流场、蛇形流场、多蛇形流场、交趾流场和网格流场，以及它们的变形或组合形式。其中平行流场的气体分布均匀性一般较差，水、热分布不均匀，容易形成液泛，电池输出性能较低，但是其压降较小，能耗较低。对于单蛇形流场，气体分布均匀性较好，电池输出性能较高，由于所有流体都由同一条流道传输，气体流速较高，排水能力较强，但是压降较大。综合考虑蛇形流场与平行流场的特点，研究者们提出了多蛇形流场，多蛇形流场能够保持较高的气体分布均匀性，同时压降也比单蛇形流场低很多。交趾流场的进气流道和排气流道不连通，可以强制气体进入气体扩散层，形成脊下强制对流，能排出气体扩散层内的水，并大幅度提高电池性能，但会带来非常大的压力损失，较高的压力损失不仅造成泵送功率的损失，还会缩短电池的使用寿命。网格流场的气体分布均匀性高于平行流场，但是其电池性能一般低于蛇形流场与交趾流场。