《燃料电池技术》课件-1.5.3.2双极板的结构设计

氢能技术应用专业教学资源库双极板的结构设计CONTENTS双极板的结构Part01202X燃料电池电堆双极板设计软件Part02目录01双极板的结构双极板的结构图中双极板上有氢气通道孔、氧气通道孔、蛇形流道、密封圈槽。密封圈槽直接镶嵌在槽中，板间就不用密封垫片了。两块板背靠背贴合就组成双极板，一块板的正面与反面加工成一样也是一块双极板。双极板的结构图是带有冷却液通道孔的双极板，较大功率的燃料电池需要使用，有的会插入多片排热板，冷却液通过冷却液通道流过排热板，带走热量。双极板的流场结构流场的形式和结构对反应物和生成物在电堆内部的流动、分配、扩散等起关键的作用。流场的设计是否合理将直接影响电堆能否正常运行。双极板的流场结构类型，分为传统流场、新型流场两类。双极板的流场结构流场是由各种图案的气体通道（沟槽或孔）和起支撑作用的脊或面组成。沟槽或孔为反应气体和水的流动提供通道，而脊或面的电极接触则起导电导热的作用。沟槽或孔所占的比例称为流场的开孔率。流场结构和开孔率不但影响双极板与电极的接触电阻，还影响传质和排水。可见，流场的几何形状、尺寸及开孔率等方面都是流场设计应该考虑的内容。另外，还应考虑电堆应用环境、工作状态、流场板与电极的电阻、气流分配、流速、压力和压力降等因素。双极板的流场结构双极板的流场方向流向方式：平行流道01平行流道是由多条相同形状的流道组成且以并联方式排布的一种设计方案，因此平行流道具有流动阻力小的优点，这可以提高燃料电池的整体效率，适用于活性面积较大的电池。在电池持续工作中，由于平行流道数目较多，所以每根流道中的气流流速比较低，可能在流道的后半段出现水淹的情况。平行流道又分为Z型和U型。

（a）Z型流道

（b）U型流道蛇形流道蛇形流道是一种应用较多的流道形式，它的优点是易于排出化学反应生成的液态水，不易出现水淹的情况。但是对于活性面积较大的燃料电池，蛇形流道会因为流道过长造成气体压损过大，导致流道后半段的气体浓度过小，电流密度降低且易发生水淹的情况。

蛇形流道

蛇形流道气体浓度分布示意叉指式流道叉指式流道包括多个退化的流道，这种流道结构并不是连续的，所以气流被强制通过GDL进入相邻的流道，这样好处是有更多的气体进入到GDL层中参与化学反应，从而使气体的利用率增大从而提高电池的电流密度。该流场的压降主要取决于GDL的性质—主要是孔隙率和疏水性，但是随着GDL的老化，电池的性能会受到显著的影响，所以这种类型的流道并不常见。

叉指式流道示意

叉指式流道气体浓度分布示意叉指式流道叉指式流道的优势在于提高气体的利用率，提高电池的电流密度，但是它对气体的进气压力要求较高，这也会在一定程度上降低电池系统的整体输出功率。销型流道销型流道是以规则图案排列的柱状销阵列，各个销的形状通常为立方形或圆形，不论流体走任何路径，其路径长度是相同的，故而是等压降的。这样做的好处是流体分布的较为均匀，而且可以将流道中的流体从层流变为紊流，更有利于气体的扩散，而且能够减少浓差极化。但是由于流体的流速较慢，对于排水是不利的。

销型流道示意气体浓度分布示意销型流道示意销型流道从图中可以看到，气体入口和出口的连接区域附近，气体浓度较高，而两边角落处由于气体流速较慢，可能会出现浓差极化和水淹等问题。02燃料电池电堆双极板设计软件燃料电池电堆双极板设计软件燃料电池电堆双极板设计软件包括Ansys、Pro-E、Solidworks等软件。AnsysAnsysFluent的燃料电池模块能模拟质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池以及电解过程，该模块自带UDF来模拟电池内的电化学反应、电荷运输、气体扩散、水的运输、能量传递等，用户也可以根据自己的需要，通过UDF来修改其中的模型。Pro-E01Pro-E是应用于模具设计、机械设计的大型设计软件，相对于UGSOLIDWORKS,ug来说，PROE参数化强大，对于建模来说，proe不仅有造型，而且导入进来的外来文件，还有补面模块，即使没有具体尺寸，也可以通过拍照进行反求建模。在燃料电池中，可以用于双极板的设计仿真。SolidworksSolidworks是一款三维CAD设计软件，可用于燃料电池的大型组装、制模及金属板材设计，到震动、应力和流体流动模拟。COMSOLMultiphysics“燃料电池和电解槽模块”是COMSOLMultiphysics®软件的一款附加产品，帮助用户通过仿真深入理解燃料电池和电解槽系统的工作原理，为电化学电池的设计和优化提供了强大的支持。COMSOLMultiphysics01模块支持对多种燃料电池和电解槽的仿真，包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、氢氧化物交换（碱性）燃料电池（AFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），以及相应的水电解槽系统等。软件中内置