双极板的流道类型决定了流场内的反应物和生成物的流动状态，合理的流场设计可以让反应物均匀分布在电极上并及时排出水分，充分保证电堆的稳定性和性能。双极板的流场形式可以在阴阳极采用不同的方案，使氧化剂和燃料可以根据需要按顺流，逆流或者错流的方式在流道内流动，流场类型的选择和设计对电池的性能影响很大。

双极板流道的类型

目前常见的双极板流场结构主要有蛇形流道、平行流道、交指流道、螺旋流道、网格流道和仿生流道等。

1）蛇形流道

属于比较老的双极板流场形式，设计成单路串联蛇形分布排列，也可以主要优点是能迅速排出液态水分以免堵塞流道。但如果极板面积较大，这种结构会因为流道过长，导致流道压强逐渐降低而产生压差。后段流道反应气体不足可能会形成滞留或者排水不畅的情况，影响电堆性能。

2）平行流道

此流道的设计类型有很多，增加了流道数量，以并联的结构形式缓解蛇形流道压力降问题，一定程度提高电池效率。但这种双极板流场结构中，流体更容易聚集甚至不流动阻塞流道，可能会造成部分电极得不到充分反应物而影响电堆的整体性能。

3）平行蛇形流道

将平行流道与蛇行流道结合起来，灵活的根据需要调整流道数目，长度以及尺寸，形成多路流道形式。此外，针对电流密度不均的问题，渐变式蛇形流道采用多个独立的蛇形流场设计，使反应气体进入不同的流场，经过小循环后再汇聚起来，再循环再汇聚，如此往复后最终由多个出口排出。这种形式流场的进口或出口的流道数目可根据需要增减，在继承了常规蛇形流道优点的基础上，大大提高了电流密度的均匀性，应用较为普遍。

4）交指流道

也叫不连续流场，是一种可以提高电池功率密度的流场结构。不连续的流道会让气体强制通过扩散层，也就意味着更多的流体进入到催化层参与反应，使得电极得到有效的利用，提高功率密度，生成的水也比较容易排出。缺点是对气体的进气压力要求较高，很大的流体压力降会导致催化层被破坏。一旦设计不合理，容易发生短路而降低反应物和电极的利用效率。

5）螺旋流道

与蛇形流道较为相似，区别在于进口和出口的极板流道相互交错设计，排水能力很强的同时让反应气体与水在流道中的分布更加均匀，克服了普通蛇形流道的缺陷。但是压降大容易短路的问题仍然存在。加上加工较为复杂，实际应用不多。

6）网格流道

严格意义上来说不能称为双极板流道，网格状的阻挡物排列在进出口之间，可以让流体在阻挡物间的空隙中绕流。流体经过任何路径的行程都是相等的，恒定的阻力可以保证均匀的流体分布，有利于反应气体的传导，保湿能力较强。缺点是由于流体流速很慢，排水能力较差，角落容易出现滞流或水淹的问题。此外对金属丝网的防腐要求很高，丝网的装夹既要保持受力均匀还不能压入到电极材料当中。

7）仿生流道

也叫分形流道，利用仿生学原理，使得反应气体在丝滑的管路中流动，速度低于蛇形或交指形流道，但压降可以保持很小，借助计算机的模拟优化让支路的流体分布均匀，提高了电堆性能输出的稳定性。常见的流场形式有肺部仿生，蚊香型，树状等等。

双极板流场的设计

1）流道尺寸的优化

双极板流场中的流道尺寸和脊的尺寸对电堆性能影响很大。流道的尺寸包括，流道的长宽深，脊宽，以及流道和脊的截面形状等等。流道尺寸直接会影响阴极的排水性能，宽度会影响反应气体对膜的压力，流道的长度越长流体压力的损失越大，后段反应气体的浓度也就越低，容易发生水淹的现象。一般较浅的流道可以加快反应气体流速而抑制水淹，提高电池性能。

以蛇形流道为例，一些学者研究发现最佳的流道宽度应该在1.14到1.4mm之间，而流道深度应该在1.02到2.04mm之间。流道倾角可以用来改变流道的截面积，并以此增加膜电极的使用面积，常规的的流道傾角为0°到 60°。脊的尺寸对接触电阻和流体的扩散性能也会有影响，脊的宽度一般以0.89到1.4mm为宜。一般而言，较小的脊宽度和较大的流道宽度有利于促进反应气体的传导，提高电堆性能,实践中可以通过改变流道与脊的宽度比来改善燃料电池的性能。总之，双极板流道尺寸的优化需要综合分析电池的性能，稳定性和寿命，寻求最佳的平衡点。

2）流道改进对双极板性能的影响

通过对基本流场的改进和设计来提高电堆性能已经成为重要的发展趋势。比如通过在平行流道中加宽分配流道，调整流道截面积让流体分布更加均匀，流速更快。燃料电池在不断生成电能过程中，由于压降问题的存在，为了维持气体流动需要泵或风机等辅助系统来完成并消耗一定能量，而平行和网格流场的设计有效减少压降及能量耗损，提高电池运行效率。另一种整体流道的设计可以将气体流道和冷却水流道加工在同一块双极板上，这种设计降低了厚度的同时增加了电堆的装配密度，大幅提高比功率，目前该方案的研究重点在于如何取得均匀的温度场。很多燃料电池开始运行很稳定，在经过几天甚至几小时后，性能会出现下降，所以尽量适当减少流道数量可以让流保持稳定的流动速度和反应速率。

通过流道的改进有利于改善电池内部的传质情况。改变气体通道尺寸和流体的流动方式可以让流体充分的经过扩散层，充分有效的利用电极并带走水分。另外如果反应水在某个区域不断积累，会造成该区域产生温度差异，而使用冷却板平衡温度也会造成不同区域水含量的差异，这就要求双极板的设计方便调节流场内每个区域的温度。反应气体在流道内流动过程中，一部分气体流入到脊下的扩散层，当这部分气体总量超过沿流道流动气体时，会使得相邻通道产生压差而导致气体流速降低，水分无法排除的现象，这就是气体短路，在流场的设计中应当避免此类问题发生。

除了引导反应气体流动，双极板还负担着机械支撑膜电极，导电导热的作用，从这方面讲，更少的流道意味着与膜电极更多的接触和更好的支撑。但从化学反应角度，越多的通道可以帮助反应气体到达膜电极的每个区域。为了解决这种矛盾必须优化流道结构，增大双极板与膜电极接触面积的同时为电化反应提供足够的气体。比如细密化设计的流道和脊不但有利于机械支撑，较窄的脊下水更容易从扩散层转移到流场通道内，使得反应气体更方便扩散到催化层中，从而提高电池的性能。

综上所述，我们在设计双极板流场的时候要结合不同电极结构来确定流道的几何结构以及流场形式，往往提升某一方面的性能的同时会降低另一方面的性能，这就需要根据不同的设计目的采用最优的双极板流道设计方案，降低电堆整体成本，保证系统的良好性能和稳定性。