氫能技術(shù)應(yīng)用專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)雙極板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CONTENTS雙極板的結(jié)構(gòu)Part01202X燃料電池電堆雙極板設(shè)計(jì)軟件Part02目錄01雙極板的結(jié)構(gòu)雙極板的結(jié)構(gòu)圖中雙極板上有氫氣通道孔、氧氣通道孔、蛇形流道、密封圈槽。密封圈槽直接鑲嵌在槽中，板間就不用密封墊片了。兩塊板背靠背貼合就組成雙極板，一塊板的正面與反面加工成一樣也是一塊雙極板。雙極板的結(jié)構(gòu)圖是帶有冷卻液通道孔的雙極板，較大功率的燃料電池需要使用，有的會(huì)插入多片排熱板，冷卻液通過冷卻液通道流過排熱板，帶走熱量。雙極板的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)流場(chǎng)的形式和結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)物和生成物在電堆內(nèi)部的流動(dòng)、分配、擴(kuò)散等起關(guān)鍵的作用。流場(chǎng)的設(shè)計(jì)是否合理將直接影響電堆能否正常運(yùn)行。雙極板的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)類型，分為傳統(tǒng)流場(chǎng)、新型流場(chǎng)兩類。雙極板的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)流場(chǎng)是由各種圖案的氣體通道（溝槽或孔）和起支撐作用的脊或面組成。溝槽或孔為反應(yīng)氣體和水的流動(dòng)提供通道，而脊或面的電極接觸則起導(dǎo)電導(dǎo)熱的作用。溝槽或孔所占的比例稱為流場(chǎng)的開孔率。流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和開孔率不但影響雙極板與電極的接觸電阻，還影響傳質(zhì)和排水?？梢姡鲌?chǎng)的幾何形狀、尺寸及開孔率等方面都是流場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的內(nèi)容。另外，還應(yīng)考慮電堆應(yīng)用環(huán)境、工作狀態(tài)、流場(chǎng)板與電極的電阻、氣流分配、流速、壓力和壓力降等因素。雙極板的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)雙極板的流場(chǎng)方向流向方式：平行流道01平行流道是由多條相同形狀的流道組成且以并聯(lián)方式排布的一種設(shè)計(jì)方案，因此平行流道具有流動(dòng)阻力小的優(yōu)點(diǎn)，這可以提高燃料電池的整體效率，適用于活性面積較大的電池。在電池持續(xù)工作中，由于平行流道數(shù)目較多，所以每根流道中的氣流流速比較低，可能在流道的后半段出現(xiàn)水淹的情況。平行流道又分為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種應(yīng)用較多的流道形式，它的優(yōu)點(diǎn)是易于排出化學(xué)反應(yīng)生成的液態(tài)水，不易出現(xiàn)水淹的情況。但是對(duì)于活性面積較大的燃料電池，蛇形流道會(huì)因?yàn)榱鞯肋^長(zhǎng)造成氣體壓損過大，導(dǎo)致流道后半段的氣體濃度過小，電流密度降低且易發(fā)生水淹的情況。

蛇形流道

蛇形流道氣體濃度分布示意叉指式流道叉指式流道包括多個(gè)退化的流道，這種流道結(jié)構(gòu)并不是連續(xù)的，所以氣流被強(qiáng)制通過GDL進(jìn)入相鄰的流道，這樣好處是有更多的氣體進(jìn)入到GDL層中參與化學(xué)反應(yīng)，從而使氣體的利用率增大從而提高電池的電流密度。該流場(chǎng)的壓降主要取決于GDL的性質(zhì)—主要是孔隙率和疏水性，但是隨著GDL的老化，電池的性能會(huì)受到顯著的影響，所以這種類型的流道并不常見。

叉指式流道示意

叉指式流道氣體濃度分布示意叉指式流道叉指式流道的優(yōu)勢(shì)在于提高氣體的利用率，提高電池的電流密度，但是它對(duì)氣體的進(jìn)氣壓力要求較高，這也會(huì)在一定程度上降低電池系統(tǒng)的整體輸出功率。銷型流道銷型流道是以規(guī)則圖案排列的柱狀銷陣列，各個(gè)銷的形狀通常為立方形或圓形，不論流體走任何路徑，其路徑長(zhǎng)度是相同的，故而是等壓降的。這樣做的好處是流體分布的較為均勻，而且可以將流道中的流體從層流變?yōu)槲闪?，更有利于氣體的擴(kuò)散，而且能夠減少濃差極化。但是由于流體的流速較慢，對(duì)于排水是不利的。

銷型流道示意氣體濃度分布示意銷型流道示意銷型流道從圖中可以看到，氣體入口和出口的連接區(qū)域附近，氣體濃度較高，而兩邊角落處由于氣體流速較慢，可能會(huì)出現(xiàn)濃差極化和水淹等問題。02燃料電池電堆雙極板設(shè)計(jì)軟件燃料電池電堆雙極板設(shè)計(jì)軟件燃料電池電堆雙極板設(shè)計(jì)軟件包括Ansys、Pro-E、Solidworks等軟件。AnsysAnsysFluent的燃料電池模塊能模擬質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池以及電解過程，該模塊自帶UDF來(lái)模擬電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)、電荷運(yùn)輸、氣體擴(kuò)散、水的運(yùn)輸、能量傳遞等，用戶也可以根據(jù)自己的需要，通過UDF來(lái)修改其中的模型。Pro-E01Pro-E是應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)的大型設(shè)計(jì)軟件，相對(duì)于UGSOLIDWORKS,ug來(lái)說(shuō)，PROE參數(shù)化強(qiáng)大，對(duì)于建模來(lái)說(shuō)，proe不僅有造型，而且導(dǎo)入進(jìn)來(lái)的外來(lái)文件，還有補(bǔ)面模塊，即使沒有具體尺寸，也可以通過拍照進(jìn)行反求建模。在燃料電池中，可以用于雙極板的設(shè)計(jì)仿真。SolidworksSolidworks是一款三維CAD設(shè)計(jì)軟件，可用于燃料電池的大型組裝、制模及金屬板材設(shè)計(jì)，到震動(dòng)、應(yīng)力和流體流動(dòng)模擬。COMSOLMultiphysics“燃料電池和電解槽模塊”是COMSOLMultiphysics?軟件的一款附加產(chǎn)品，幫助用戶通過仿真深入理解燃料電池和電解槽系統(tǒng)的工作原理，為電化學(xué)電池的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了強(qiáng)大的支持。COMSOLMultiphysics01模塊支持對(duì)多種燃料電池和電解槽的仿真，包括質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、氫氧化物交換（堿性）燃料電池（AFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），以及相應(yīng)的水電解槽系統(tǒng)等。軟件中內(nèi)置