自21世纪以来,能源危机和环境污染日益严重。首先,随着全球工业的快速发展,煤、石油等传统燃料的消耗量不断加大。传统燃料燃烧将释放大量的SO₂、CO、CO₂和NO₃气体,使得环境污染日益严重。全球气候变化和温室效应与CO₂的排放息息相关,而其中超过一半的CO₂排放来自化石燃料的燃烧。另外,化石燃料燃烧产生的SO₂、NO₃等有毒气体还将带来酸雨、臭氧层破坏以及海洋污染等一系列环境问题,危害社会的生存和发展。面对世界性的能源危机和环境污染,燃料电池作为一种清洁的能源转换装置,是当前很有前景的研究方向。燃料电池能通过电化学反应将燃料中的化学能直接并且连续地转换成电能,这是继水电、火电和核电之后的第四种发电方式。由于燃料不涉及过多的能量转换过程,其转换效率不受“卡诺循环”的限制,最高可达60%-80%,其实际使用效率是内燃机的2-3倍。同时,由于燃料电池整个运行过程中只会产生水,因此可以有效缓解环境污染。除此之外,由于燃料电池内部不涉及任何机械部件的使用,电池运行时不产生噪声,且没有机械部件的运行也使电池的维护更容易。另外,燃料电池结构紧凑且便于携带,因此又可广泛用到交通运输领域、电子和便携式设备中。燃料电池因其具有以上诸多优点,被视为最有前景的清洁能源之一。迄今为止,相关研究工作者已经开发出了不同种类的燃料电池,电池通常可根据燃料的来源、工作温度、电解质类型和结构特征进行分类。按照燃料来源电池可分为直接型、间接型和再生型燃料电池;按工作温度划分,可分为低温（低于200°C）、中温（200-750°C）、高温和超高温（750°C或更高）燃料电池;然而,最常用的分类方法是根据电解质类型进行分类,根据电池所采用的电解质种类,燃料电池可分为以下类型:1.质子交换膜燃料电池（PEMFC）2.磷酸燃料电池（PAFC）3.碱性燃料电池（AFC）4.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）5.固体氧化物燃料电池（SOFC）其中,PEMFC因其体积小、功率密度高、运行温度低、噪声小、启动迅速、质量轻等优点被认为是最有潜力的电池类型。PEMFC以全氟磺酸型的离子交换膜作为电解质,Pt/C为作为催化剂,氢气或重整气作为燃料,空气或氧气作为氧化剂,其工作温度一般为60⁹0℃。PEMFC的工作原理可以阐述为:氢气和氧气/空气分别通过双极板上的流道供气,气体通过扩散传输进入电池的多孔电极内,并通过膜电极（MEA）两侧的扩散层到达反应催化层。在阳极,氢气在阳极催化剂表面反应生成质子和电子,质子以水合氢离子的形式穿过质子交换膜到达阴极,而电子则通过外部电路到达阴极。在阴极催化层,氧分子结合质子和电子产生水分子,反应生成的水以及从阳极电渗拖曳到阴极的水通过阴极流道排出。单片PEMFC的理想电压通常为1.229伏特,但由于电池在实际运行中存在多种极化现象,实际输出电压会比理想情况低。另外,由于单电池的输出功率低,缺少实际应用价值,因此常将多个单电池通过串并联组合以形成具有足够输出功率的燃料电池电堆。PEMFC的核心部件是电池中间的膜电极组件（MEA）,它通常由质子交换膜和催化层热压形成。膜电极组件的中间是质子交换膜,它具有传导质子、分离氧化剂和还原剂的作用。除交换膜以外,电池的其它部分还包括气体扩散层（GDL）、催化层（CL）和双极板（BP）。气体扩散层通常由导电的多孔材料制成（如PTFE处理过的碳纸）,起到支撑催化层、收集电流以及传输反应气体的作用。催化层是整个电池的反应区域,反应气氢气和氧气在该区域发生氧化还原反应,并对外输出一定的电功率。双极板上刻有传输反应气体的流道,能够将阴阳极的反应气体合理分配,使反应气均匀传输到反应区域。此外,双极板也起到传导电子的作用。当前双极板的研究是燃料电池的一大研究热点,良好的双极板设计能够保障电池阴阳极的合理配气,提高电池的性能和寿命,根据实际的用途,双极板要求具有以下功能和特点:1.阻气功能,分离电池内的氧化剂（如氧气）和还原剂（如氢气,重整气）;2.为了实现集流板的功能,它应该是电的良导体;3.为确保电池在运行过程中的温度分布均匀,保证电池内部废热的有效排放,双极板必须是热的良导体;4.双极板应具有分配气体的功能,双极板两侧都应有流道,使气体在极板上均匀分布;5.具有耐腐蚀的特性;6.为降低电池的生产成本和提高电池性能,应综合考虑选择合适的板材和流场结构,并采用合理的双极板制备工艺,降低电池内阻。加工石墨流场板的成本占整个电池加工成本的60%-70%,因此降低双极板制造成本也对PEMFC的产业化具有重要意义。双极板被认为是PEMFC的关键组件之一,能否具备以上要求的良好特性从而很好地发挥其功能,决定了电池能否获得更好的性能和使用寿命。其中双极板的流场设计对PEMFC的性能和电池效率起着决定性的作用。燃料电池的反应机理表明,反应气体和产物的流动状态均由流场结构决定,优化流场结构能改善反应气体的传输,改善电池的水热管理,从而改善PEMFC的性能和使用寿命。PEMFC双极板流场应符合以下基本要求:1.应提高气体对流和扩散的能力。在供气条件一定的情况下,合理的流场结构应使电极各部分都有充足的反应气体参与反应,这对于大面积的电极显得尤为重要。当电极中某处的反应气体供应不足时,此时的电化学反应速率会下降甚至停止反应,这不仅会导致燃料电池性能的大幅下降,还会因电池的局部过热使得各部分的电流密度分布不均匀。2.在流量一定的情况下,流道内压降应适中。压降过大会产生额外的功率损失;压降太小又不利于反应气体向扩散层和催化层内传输。3.应选取最佳的双极板开口面积比。流道沟槽面积与电极面积之比通常被称为双极板的开口面积比,其值通常在45%和75%之间。开口面积比增大会导致实际导电面积减小,从而使电池的欧姆损失增大;开口面积比减小又会导致实际的气体传输面积减小,从而使气体传输阻力增大,传质损失增大。因此,根据电荷以及气体的传输过程分析,双极板应有一个最佳的开口面积比。当前比较常见的双极板流场结构包括:平行流场、蛇形流场和叉指型流场,此外,为提升电池性能,研究人员将这些流场以不同方式组合起来,形成多流场组合的结构。这些不同的流场有各自不同的优缺点,流场结构的选择取决于实际的电池需求和工况条件,在不同工况下,流场结构的选取对燃料电池性能有显著影响。本文引入了一种新颖的波浪流场结构,与其它结构相比,目前波形流场结构的相关研究还比较少,有必要对其进行进一步的研究。本文的研究主要基于平行、蛇形、叉指型和波浪流场结构,比较了不同流场结构对电池性能造成的影响,考虑了不同的流场结构和几何参数,从而提出流场结构的优化方案。本研究主要通过实验手段研究不同流场结构对水和气体传输特性的影响,并比较了不同流场结构的除水特性。本实验使用的系统是全功能多通道质子交换膜燃料电池测试系统,该系统包括了:气体流量控制系统,气体压力测量系统,背压控制系统,尾气处理系统,温度控制系统,电流和电压检测系统,电子负载系统,环境舱和安全保护系统。实验过程涉及了质子交换膜燃料电池的组装,电池的激活,性能曲线的测试以及EIS的表征。燃料电池的性能可以从其电流-电压特性图中清晰地反映出来,该曲线图被称为电池的极化曲线图,它表示了不同电流密度下燃料电池的实际输出电压的大小。电池运行过程中的极化现象主要包括活化极化（电化学极化）、欧姆极化和浓度极化。在低电流密度下,活化极化占主导地位;在高电流密度下,浓度极化占主导地位。相应地,燃料电池的各项损失包括:1.由电化学反应引起的活化损失,与电化学反应速度有关。2.电解质中的离子或电极中的电子传导时会受到电阻的影响,从而造成电池的欧姆损失。3.气体传输过程中会遇到一定的传输阻力,将导致实际反应气体的浓度比供气浓度更低,造成电池的浓度损失。传输阻力主要与温度、压力和电极结构等因素有关。在高电流密度下,浓度损失会导致电池性能的急剧下降。降低浓度损失能够使电池有更高的极限电流密度,从而允许电池以更高的电流密度运行。通常电池的极化曲线已经可以大致反映燃料电池的性能,在本次研究的实验中,通过测试电池的电化学阻抗谱进一步分析了燃料电池中主要损失的产生原因。电化学阻抗谱（EIS）,也称为交流阻抗谱,是一种电化学测量方法,通过对被测系统施加小幅度的正弦波电压（电流）,从而分析出各项损失的大小。在这个实验中,使用Zahner Zennium E电化学工作站进行EIS测量。本实验中使用的质子交换膜夹具均由研究团队独立设计和调试,燃料电池装配过程在无尘室中进行,以确保质子交换膜燃料电池的特性稳定。燃料电池的活化面积为25平方厘米（5厘米′5厘米）,装载了刻有不同流场结构的双极板。电池用8个螺栓固定,每个螺栓在组装过程中施加5N m的扭矩,以确保各层之间的密切接触和良好密封。电池组装完成后,将其连接到测试台上,并用氮气进行电池的气密性检测。此外,为确保实验过程中氢气不发生泄漏,实验采用了北京盛昌恒源科技有限公司生产的TN-1000万级氢气检测仪,确保实验过程安全运行。完成质子交换膜燃料电池的组装后,在测试燃料电池性能之前,有必要先对燃料电池进行激活,其基本目的是激活质子交换膜燃料电池的催化剂（Pt）,使电池能够发挥最佳的性能。在成功激活燃料电池之后,本研究采用了5种不同类型的流场结构,在正常工况温度和不同进气相对湿度下分析了质子交换膜燃料电池的输出性能。另外,实验对比了空气和纯氧分别作为阴极气体时,在不同流场结构和工况下的电池性能差异。在正常工作温度下,针对不同类型的流场,分别测量了相对湿度百分比为40%、60%和80%的极化曲线,并且在不同的相对湿度百分比下采用空气和纯氧作为每种类型流场的进气气体对电池性能进行测量。平行或直流场是具有平行直通道的最简单的流场,流道连接到双极板的入口和出口。反应气体倾向于沿着板壁进入和排出通道,留下大部分未使用的中央通道部分。这个未使用的部分会在电化学反应中造成反应的不均匀,并在电池活性区域的相应部位形成冷点。另一方面,由于平行通道的路径较短,这种类型的流场压降较小。平行流场的主要缺点是水管理特性不佳。电化学反应产生的水蒸气容易在通道内冷凝,阻塞流道内气体的传输,导致反应气体在电催化区域内分布不均匀。当燃料电池长时间以空气作为氧化剂运行时,燃料电池的输出电压将逐渐降低并变得不稳定。由于水管理不善和气体浓度分布不均匀,这种类型的流场将阻碍质子交换膜燃料电池性能的提高。蛇形流场结构是近年来最广泛采用的结构。在这种类型的流场中,蛇形流道是一种从入口到出口来回弯折的连续通道。该流场结构是一种对平行流场进行了优化后的流道,以期获得更好的电池性能。在蛇形流场中,反应气体在整个燃料电池的连续路径中传输,这防止了不均匀的流场分布形成的冷点。该流场具有良好的水管理优势,因为与平行流场相比,它可以非常快速地去除多余的液态水。然而,由于蛇形流道是一种连续的长流道,因此它在进出口具有过大的压降,且各处电流密度不均匀。此外由于流道较长,蛇型流道容易在流道中形成水滴而导致流动通道堵塞,特别是在电流密度较高的情况下。叉指型流场结构与前述的常规流场结构大不相同,它不由连续的流动通道组成。在该类型流道中,反应气体在流道压力作用下将迫使气体从某个流动通道内压入GDL层内,再由GDL层扩散到相邻的另一个通道。这种传输将在MEA中产生对流,从而可以带出电极内部的液态水,改善了电池水管理。这种类型的流场能有效防止电池中的水淹现象,并且在高电流密度下更为显著。由于上述优点,叉指形流道能够使燃料电池有更好的电池性能。该类型流道的缺点是气体传输的阻力较大,导致流道进出口压降很大。波浪流场结构是比较新型的流场结构,本田于2007年首次开发了波状流场结构,并将其用于燃料电池汽车-FXC Clarity-2007。2014年,本田再次推出具有新型波浪流场结构的V型燃料电池,其具有更优的水管理特性和更好的电流稳定性。这种结构类似于平行流道结构,其一端连接入口而另一端连接出口。但是该流道不为直线型,而是呈现波浪状。其主要优点是能够使电池中的反应气体分布更加均匀,提升近10%的电池性能。然而,之前的研究者尚未对该流场和传统流场进行过对比研究,因此本研究设计两种不同类型的波浪流道,并以此来研究波浪流场对PEMFC性能的影响。两种流道分别记为Wavy1和Wavy2型流道,在流道尺寸和其它参数相同的基础上,Wavy2相比于Wavy1具有更多的流道波数,其中波数定义为单位长度流道具有的波浪结构数目。本文从极化曲线和电化学阻抗两方面进行了实验研究,主要可以得出以下结论:1.流场对PEMFC性能影响显著,蛇形流道明显优于其它四种流道。叉指形流道也表现出很好的性能,但由于额外的泵气损失,其净功率仍低于蛇形流道。由于流道内的分布压力较小,Wavy1、Wavy2和平行流道对PEMFC性能改善较小。根据电池性能的好坏,对不同类型的流场进行排序如下:蛇形流道>叉指形流道>Wavy2>Wavy1>平行流道。2.考虑净输出功率密度和寄生功率的因素,蛇形和叉指型流场由于其通道内的压降大而消耗了更多的泵气功率,这可能增加电池受到的机械应力从而减少电池的寿命。与蛇形和叉指型流场不同,波浪型和平行流场消耗的泵气功率小并能产生更高的净功率密度。3.就电池性能方面考虑,Wavy2流场比具有直流通道的平行流场更优,与Wavy1流道相比稍好,但两者性能差异不大。因此,具有更多波数的Wavy流道能够对PEMFC性能进行了改善,根据电池性能好坏,流场排序为:Wavy2>Wavy1>平行流道。4.通过增大进气相对湿度可以提高电池性能,进气相对湿度对具有Wavy1和Wavy2流场的电池性能影响较小。因此,在进气相对湿度波动较大的工况下,Wavy流场结构使得电池具有更好的稳定性。5.在相同电压下,采用纯氧供气可以增大电池的电流密度,并且在高电流密度下能有效降低电池的浓度损失。6.与传统的平行流场相比,两种波浪型流场都可以使电池产生更好的性能。虽然其性能不如采用蛇形和叉指型流场好,但比传统的平行流场性能上有显著提高。7.由于具有很长的流道,蛇形流道在所有流道中进出口压降最大,而叉指形流道因其独特的内部通道设计,相比比蛇形流道的压降稍小。