正极板（油场板）作为质子交换膜燃料电池的重要部件，其质量占电池组的60%以上。行程板的流道设计对电池性能、工作效率和制造成本有很大影响。本章介绍了双极板流道设计的相关因素。

双极板作为PEMFC的重要部件，其两面都有加工的流道，对反应气体的分布、电流收集、机械支撑、水热管理以及阴阳两极反应气体的分离起着重要作用，实际上燃料电池堆的设计大多是双极板的设计。

根据相关文献，合适的流道设计可以将电池性能提高50%左右。正极板流道的设计主要涉及流道尺寸和流道结构。

1、流道尺寸

流道宽度W：一般为0.5至2.5mm，影响阳极板流道中气体与扩散层直接接触的面积

脊椎宽度L：一般为0.2至2.5mm，影响正极板与扩散层的接触面积，可通过改变流道与脊椎宽度W/L的值来调节接触电阻

油路深度H：一般为0.2至2.5mm，在层流范围内加深油路的深度不利于气体扩散到扩散层，影响气体向膜电极的传递。

流道倾角θ：一般θ 0°~60°，改变流道截面积，增加膜电极利用面积

流道长度：流道长度越长，压力损失越大，后端反应气体浓度越低，容易积聚，产生浸水现象，降低电池性能和稳定性。

2、流场结构

目前最常见的是包括平行/可变截面、斜行等在内的通道，直通道结构的流动主要依赖于气体的输送扩散，当气体进行层流运动时，气体向MEA的输送相对减弱，在流道内部形成粗糙面，产生湍流。虽然可以促进消耗层气体和附层气体的混合，但这种产生湍流的方法会增加油藏的进出口压力差。

流程设计注意事项：

（1）介质均匀性

A、均匀：平行流道可以提高流体速度和浓度分布的均匀性，通过拓宽分配流道、改变流道截面积等手段可以实现流体的均匀分布，催化层局部长期气体不足也加速了催化性能的劣化。

B、压降小：但在一定流量下，通过反应剂流场的压降是适当平均的，一般压强为20kpa-80kpa。如果压力太小，反应气体扩散层，不利于输送到催化层，压力过大会产生过高的动力损失，系统要比空压机更适合高压。

另一方面，双极板内的气体流动是由差压驱动的，通过增加进出口差压，可以更有效地去除电池内部的多余液体数，改善电池性能。

C.气体短路：气体短路是指大部分气体不沿流道流动，直接流入脊椎下扩散层的现象。少量的气体短路会增加气体进入扩散层和催化层，同时有利于排出扩散层积水，有利于提高电炉性能

对于较长的直通道流场，在继续保持流场内进出口差压的情况下，通道内的流阻不一致，邻接流道存在较大的差压，特别是在气体流速较大的情况下，容易发生气体短路，如果流经脊扩散层的气体量超过沿流道的流量，通道的一次短路。附加短路不能利用，短路的结果是降低气体流速，不能有效排出流道内积聚的液态水滴，进而增加流动阻力，加重气体短路现象的恶性循环过程。

（2）数列管理

A、过干燥：质子交换膜水分蒸发，膜的质子电导率大幅降低，电池内部电阻增大。

B.浸没：采用普通氧化剂、燃料和制冷剂的流道布置，即燃料和氧化剂的逆流布置，制冷剂和氧化剂的顺流布置，从而避免了氧化剂入口侧膜的干燥状态和氧化剂出口的浸水现象。

热管理涉及到水的管理。负极反应完成的空气携带反应生成排水沟，高温空气含湿量大，温度过低生成大量液体水。适当的双极板设计应调节同一流道内各区域的温度，以达到满意的水热管理。流道设计应考虑车辆行驶惯性的影响，在加速、急停等情况下会产生反应生成水不排放的现象。

（3）接触电阻

根据电极和正极板材料的导电特性，流槽的面积应该有一个最佳值。槽面积与电极总面积的比率一般称为正极板的开口率。其值必须在40~75%之间。开口率过高会导致电极与正极板之间的接触电阻过大，从而增加电池的欧姆极化损耗。

（4）支撑强度（小而薄）

一般来说，细分的通道和脊椎有利于膜电极的机械支撑。因为细分的通道会减少脊椎支撑的跨度，增加脊椎的宽度可以提高导电性和导热性，但增加沟槽间距会减少膜电极与反应气体的接触面积，增加这部分气体扩散电极积水，窄脊椎的下水道会从扩散层向流场通道内移动。容易实现，容易将反应气体扩散到催化层，随着电炉功率密度越来越高的需求，双极板越来越薄，变薄的双极板机械强度较低，合理的流道设计可以起到肋骨的作用。

3、3D流道

另一方面，二维流道的气体均匀流受到流道的限制。三维流道为气体的均匀分布提供了更大的可能性。各气体通量不局限于单一流道内，相邻流道内的气体相互作用更加自由，产生更多的湍流

另一方面，在现有的槽-脊流道中，反应气体从流道/流道向膜电极的输送基本上依赖浓差扩散，效率降低，3D流道像喷嘴一样强制对流，通过节流增大流速，可以更好地促进气体进入扩散层，这是解决堆大功率密度的方向。

（1）窄脊设计

窄脊设计可以减少水的聚集，因为空气和扩散层的接触面积增大，有利于带走生成的水。

（2）三维梯度深度波流

三维波形磁场垂直于诱导平面方向存在速度分量，氧气垂直于诱导平面以对流形式进入催化剂层。随着电流密度的逐渐增加，氧气输送能力增强，浓度损失减小。蛇形油藏下游段流道太长，容易发生锁水现象。为了克服这一问题，三维梯度深度波形油藏的诱导深度从上游区域逐渐减小到下游区域，该设计可以进一步增大垂直于下游区域诱导平面方向和诱导平面方向的气体速度，最终提高电池的氧气输送和排水性能。