2.5.1 二维流场分布

1 平行流场设计

平行流场是一种许多平行排列的直通道，有单个或多个进出口。其设计简单，易于制造。根据进出口位置对平行流场进行分类：U形、Z形、多Z形、Z-U混合形、2U形、4U形等，如图2-15a所示。

与蛇形流场相比，平行流场中反应物的压降有所降低，但很少有通道出现反应物匮乏的现象。设计参数如封头、通道和肋部尺寸是造成气体不均匀分布的主要原因。在U形中，流体分布和流量是独立的。因此，在高流量下，U形结构的性能优于Z形结构。多U形和多Z形的非均匀流动指数都较低，但多Z形的压降要大得多。Z-U混合型流动分布优于传统平行流场。将流场分成两半，并提供两个进口，使非均匀性流量因数降低了50%，如图2-15b所示，对平行流场进行单次和双次进出的通道改造，通道宽度为1～3mm，通道宽度从入口到中间逐渐减小，然后到出口逐渐增大，使反应物分布均匀。单进/出口平行流场的通道长度与双进/出口平行流场相同，可使反应物分布均匀。

2 蛇形流场设计

蛇形流场是指流动路径从入口到出口是连续的，通道布置类似于蛇/蛇的形式或运动。与平行流场相比，蛇形流场使反应物的压降增大，因此蛇形流场可以有效地将反应物分布到质子交换膜燃料电池的整个活性区域。

一般来说，蛇形流场从进口到出口只有一个通道。平行于第一条蛇形通道的两条或多条通道的排列被称为多通道蛇形流场。单通道、双通道、循环通道和对称通道蛇形流场等如图2-16a所示。三重混合蛇形流场如图2-16b所示。在较高的湿度条件下，双通道的性能优于其他设计。同样的设计尺寸，在2通道、3通道和4通道的蛇形流场的比较中，发现3通道蛇形流场的性能优于其他蛇形流场。同样，从3通道、6通道和9通道蛇形流场的比较中，发现6通道蛇形流场的性能优于其他蛇形流场。通过4通道和1通道在平行、逆流和交叉流动时的性能对比发现，与交叉流和逆流相比，平行流分别提高了4通道和1通道蛇形流场在低电压和高电压下的性能。在相同的操作条件下，4通道蛇形流场的性能优于1通道蛇形流场。

W流场（图2-17a）的设计覆盖了最大的活性表面并产生了均匀的电流，因此性能优于其他设计。蛇形流场的直通道弯曲形成锯齿形通道，称为锯齿形蛇形流场，如图2-17b所示。与其他三种类型相比，锯齿形通道具有排水性能更好和压降最小等特点。对于三个波浪状蛇形流道（图2-17c），其具有相同的6.28mm波长，振幅分别为0.25mm（C1）、0.5mm（C2）和0.75mm（C3）将其与常规蛇形流场（C4）在不同的电池温度和气体流速条件下进行了比较。C1的结果比基本模型（C4）高20.15%。在所有流速下，C1都表现出比C2、C3和C4更好的性能。此外，随反应物流速的增加，扩散和功率也有所增加。

有一些研究侧重于比较不同流场的性能。Yan等 ^[74-75] 使用了有效面积为198cm ² 且具有平行、蛇形和交指通道的流场。结果发现，交指流场比平行流场表现出更好的性能，因为它迫使反应气体通过气体扩散层，如图2-18所示。研究表明，具有交指流场的燃料电池的性能与具有平行通道几何形状的另一个电池相似，但燃料消耗较低。此外，关于蛇形流场，增加通道数量、通道长度和匝数有利于电化学反应，可以减少出口处未反应的燃料，从而提高燃料电池性能。

3 通道长度和通道数

通道长度和通道数是对燃料电池性能影响最大的两个几何参数，尤其是在蛇形流场中。几项研究分析了脊下的反应物对流流动。在单蛇形流场几何中，流经气体扩散层的流量百分比与双极板的材料和几何参数直接相关。此外，还确认了通过增加通道的长度可以增加对流。因此，为了增强燃料电池的性能，采用矩形而不是方形有源区域可能是有利的。通过改变并行通道的数量来改变燃料电池的路径长度会影响其性能，因此，与较长路径相比，具有较短路径长度的燃料电池可以有更均匀的电流密度分布和更少的水泛滥效应。然而，与26通道的流场相比，具有13通道流场的燃料电池的整体性能略有提高，如图2-19所示。通道数量增加，使脊下的电流密度和温度值均匀分布。水饱和压力降低，增加了膜的含水量，从而提高了局部性能，进一步提高了燃料电池的整体性能。

4 流动的方向

在燃料电池运行期间，反应物沿着流动通道循环，其中反应物条件（压力、浓度、温度、相对湿度等）随着从气体入口流向出口而不断变化。因此，反应物通过MEA两侧电池的方向将决定气体在通道不同点的条件。分析最多的反应气体的循环设置是：顺流、逆流和错流。Ge和Yi ^[76] 研究了反应物流动方向对140cm ² 活性面积燃料电池性能的影响。结果表明逆流布局时，膜加湿电池性能得到了改善。此外，在MEA的整个活性区域上形成了均匀的电流密度分布，从而避免了局部热点并提高了燃料电池的性能。Scholta等人 ^[77] 分析了燃料电池在阳极和阴极方向流中不同配置的性能，使用阳极中的干气和阴极中的湿气，分别采用顺流、逆流和错流，如图2-20所示，并使用具有100cm ² 有效面积和简单蛇形流场的双极板。结果表明燃料电池逆流配置显示出更好的性能，这主要是由于电池中的湿度分布更均匀。

关于平行流场的燃料电池性能，设置类似的逆流配置，发现如果应用高电流密度，具有大深度的流场也显示出更高的电池电压。这种行为归因于较低压力差的交叉传输的相对减少。此外，研究表明，当增加并联通道的数量时，在低反应物需求下工作时电池电压会降低。这种行为与在高电流密度下使用高度平行通道时观察到的结果相反。更大的深度也显示出更高的电池电压，尤其是在应用高电流密度的情况下。综上，作者认为平行通道的数量不仅取决于流场尺寸和几何形状，还取决于燃料电池的操作范围。

Morin等人 ^[78] 研究了流动方向对PEMFC中水管理的影响。结果表明，具有逆流布局的燃料电池获得了更好的膜水合，提高了质子电导率，从而提高了电池的性能。此外，他们发现重力的作用可以使燃料电池中的水分滞留，这也增强了质子交换膜的水合作用。Valino等人 ^[79] 分析了具有100cm ² 有效面积的多级流场的电池的性能，如图2-21所示，研究了流动方向的不同配置：顺流、逆流和错流。结果表明，催化层上反应物的消耗主要取决于气体流动的化学计量比，而不是流动方向的配置。整个流场中的反应物分布在催化层上产生不均匀的电化学反应。大多数电化学反应发生在气体入口附近，因此活性区域的很大一部分未被充分利用。