本發明專利技術涉及基于樹葉仿生結構的質子交換膜燃料電池雙極板，其正反面分別為陽極流場板和陰極流場板，陰極流場板和陽極流場板上均設置有燃料入口、燃料出口、氧化劑入口、氧化劑出口、冷卻劑入口以及冷卻劑出口，其特征在于：陰極流場板和陽極流場板為交指型流場。本發明專利技術的有益效果在于：燃料電池的性能和穩定性均有所提高；能有效地防止流道堵塞；有利于主流道的氣體(燃料或氧化劑)的分配，提高燃料電池的穩定性；能提高電池的化學反應效率，提高反應氣體的利用率；由于交指型結構有利于排水，不易形成“水淹”現象，因此燃料電池的極化性能得到提升，輸出功率大幅提升，排水性更好。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及質子交換膜燃料電池的雙極板，具體說是基于樹葉仿生結構的質子交換膜燃料電池雙極板。
技術介紹
質子交換膜燃料電池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，縮寫PEMFC)是一種將氫燃料的化學能通過化學反應直接轉化為電能的裝置。它具有功率密度高、能量轉化效率高、常溫啟動快、對環境污染小、靈活等特點。廣泛應用于交通、分布式發電、航空航天等領域。雙極板是PEMFC及其電池堆的主要和重要部件之一。在電池堆中每塊雙極板與兩個單電池有關，它的一個側面為一個單電池的陽極流場，另一個側面為相鄰單電池的陰極流場。雙極板的作用如下(1)分配電池放電所需的燃料與氧化劑；(2)排出電池堆內各個單電池電化學反應生成的水；C3)在電池堆中分離各個單電池，收集每節單電池電流；(4) 傳導每節單電池工作時產生的熱量。流場是在雙極板上加工的各種形狀的溝槽，為反應劑與生成物提供進出通道，流場結構決定反應劑與生成物在流場內的流動狀態，要保證PEMFC 正常運行，必須使電極各處均能獲得充足的反應劑、并及時將電池生成的水排出，因此，流場結構對PEMFC的性能有很大的影響。據報道，合適的流場結構能使電池性能提高50%左右οPEMFC雙極板的流場常見有蛇型流場和平行流場等。其中蛇形流場只有一條通道， 其截面多采用矩形。其主要優點是能迅速排除生成的液體水，不易出現堵塞通道的情況。但是，對于面積比較大的雙極板，會因為通道過長而造成電池內的氣體濃度分布不均勻，而引起電流密度的不均勻，不能充分利用催化層，并且流道內的壓降較大，流道出口處因氣壓降低，存在液體水積累而可能造成水淹現象，從而影響電池的性能。平行流場相對于蛇型流場來說，通道數目較多而短，而且通道之間相互并聯。因此平行流場具有流動阻力小的優點，在一定程度上能夠降低壓力損失，提高電池的整體效率。 然而，在電池持續工作的過程中，由于通道數目多，氣流流速一般不大，水不易被排出，在通道間的肋條下和通道的邊緣聚集，從而造成部分電極水淹的情況。實際應用中還發現，由于通道數目較多，各通道中氣體的流動和反應情況的細微差別會對電池的整體性能造成擾動，出現電池性能不穩定的情況。仔細觀察自然界中的一些事物，如樹、根系、葉的脈絡、河岸、閃電、血脈、神經網絡等生命和非生命系統，人們會對其各種外部形狀和內部性質留下深刻印象。各種自然結構是長時間演化而成，由進化論的觀點，其結構應該是最優或接近最優的結構。自然界中的傳質或傳熱機構如動物肺和樹葉等被認為是一種自然優化的強化換熱和傳質的網絡流道，它具有均勻的微管分布，并有利于能量和物質的傳遞運輸。PEMFC雙極板的流場結構與動物肺和樹葉的傳質或傳熱功能類似。那么，我們可以得到啟示為什么自然界中的動物肺和樹葉這類結構能實現優化的傳質與傳熱呢？將自然界的這種優良的傳熱、傳質結構應用于PEMFC雙極板流場的結構設計，從而得到性能優異的PEMFC雙極板流場結構，彌補現有流場結構的不足，提升燃料電池的性能。
技術實現思路
本專利技術所解決的技術問題是針對上述現有技術的不足而提出基于樹葉仿生結構的質子交換膜燃料電池雙極板，這種新型的樹葉仿生結構流場，能夠有效地均勻分配反應氣體到各分支流道，使氣體能均勻地分布在反應流場；能有效地防止流道堵塞；在一定程度上減少了氣體在流道內的流通阻力，使得燃料電池的性能和穩定性均有所提高。本專利技術解決上述技術問題所采用的技術方案是基于樹葉仿生結構的質子交換膜燃料電池雙極板，其正反面分別為陽極流場板和陰極流場板，陰極流場板和陽極流場板上均設置有燃料入口、燃料出口、氧化劑入口、氧化劑出口、冷卻劑入口以及冷卻劑出口，其特征在于陰極流場板和陽極流場板為交指型流場，所述的交指型流場由若干個樹葉葉脈仿生結構的基本單元組成，燃料入口處設有一條入口主干流道，連通各入口樹葉葉脈仿生結構基本單元與燃料入口，用以引導燃料進入流場；燃料出口處設有一條出口主干流道，連通各入口樹葉葉脈仿生結構基本單元與燃料出口，用以引導反應后的氣體通過出口排出。按上述方案，每個樹葉葉脈仿生結構的基本單元包括有主流道和支流道，主流道的寬度根據支流道的數目來確定，其寬度在10 30mm之間，支流道的數目越多，主流道的寬度越大；主流道與支流道的夾角在60° 80°之間，支流道的寬度在0.8 3mm之間，支流道的長度在50 200mm之間。按上述方案，樹葉葉脈仿生結構基本單元的結構為I型對稱流道結構為支流道在主流道的兩邊對稱開置、II型非對稱流道結構為支流道在主流道的兩邊交替開置、III型主流道漸變對稱流道結構，即在I型對稱流道的基礎上主流道的寬度進行逐步減小或IV型主流道漸變非對稱流道結構，即在II型非對稱流道的基礎上主流道的寬度進行逐步減小。按上述方案，主流道的末端為燕尾結構流道。按上述方案，所述的陰極流場板和陽極流場板采用石墨材料銑削或雕刻制成或采用表面改性金屬板沖壓制成。本專利技術的有益效果在于1)本專利技術的陰極流場板和陽極流場板采用了樹葉仿生結構，由于主流道與支流道之間的夾角小于90°，氣體(氧化劑和燃料)從主流道到支流道的氣體阻力減小，由于氣體在各流道的阻力基本相等，當氣體通過主流道到達各支流道時，可以獲得相同的流速，使氣體在反應流場區均勻地分布，使得燃料電池的性能和穩定性均有所提高；2)本專利技術的陰極流場板和陽極流場板采用了樹葉仿生結構，能夠有效地均勻分配反應氣體到各支流道，使氣體能均勻地分布在反應流場，能有效地防止流道堵塞；3)本專利技術的陰極流場板和陽極流場板采用了樹葉仿生結構，主流道的進口尺寸較支流道大，有利于減少氣體在流道內的阻力，從而降低燃料入口(或氧化劑入口)到燃料出口(氧化劑)的壓力損失；同時，有利于主流道的氣體(燃料或氧化劑)的分配，提高燃料電池的穩定性；4)本專利技術的雙極板流場結構采用交指型流場結構，相對于其他形式的流場而言， 能提高電池的化學反應效率，提高反應氣體的利用率；由于交指型結構有利于排水，不易形4成“水淹”現象，因此燃料電池的極化性能得到提升，輸出功率大幅提升，排水性更好。 附圖說明圖1為本專利技術雙極板中樹葉仿生結構的基本結構形式示意圖，其中圖I(I)為I型對稱流道結構為支流道在主流道的兩邊對稱開置、圖1 (II)為II型非對稱流道結構為支流道在主流道的兩邊交替開置、圖I(III)為III型主流道漸變對稱流道結構，即在I型對稱流道的基礎上主流道的寬度進行逐步減小、圖I(IV)為IV型主流道漸變非對稱流道結構， 即在II型非對稱流道的基礎上主流道的寬度進行逐步減??；圖2為本專利技術雙極板中采用I型樹葉仿生結構示意圖；圖3為本專利技術雙極板中采用II型樹葉仿生結構示意圖；圖4為本專利技術雙極板中采用III型樹葉仿生結構示意圖；圖5為本專利技術雙極板中采用IV型樹葉仿生結構示意圖；圖6為本專利技術的實施例⑴中樹葉仿生結構流場單電池極化曲線圖；圖7為本專利技術的實施例⑴中樹葉仿生結構流場單電池功率密度曲線圖。具體實施例方式下面結合附圖對本專利技術做進一步說明，但是不會構成對本專利技術的限制。本專利技術是基于樹葉仿生結構的質子交換膜燃料電池雙極板，其流場的基本結構如圖1所示，具體為1型對稱流道結構、II型非對稱流道結構、III型主干流道漸變對稱流道結構、IV主干流道漸變非對稱流道結構。如圖2本文檔來自技高網...
【技術保護點】
１．基于樹葉仿生結構的質子交換膜燃料電池雙極板，其正反面分別為陽極流場板和陰極流場板，陰極流場板和陽極流場板上均設置有燃料入口（１）、燃料出口（６）、氧化劑入口（３）、氧化劑出口（４）、冷卻劑入口（２）以及冷卻劑出口（５），其特征在于：陰極流場板和陽極流場板為交指型流場，所述的交指型流場由若干個樹葉葉脈仿生結構的基本單元組成，燃料入口處設有一條入口主干流道（７），連通各入口樹葉葉脈仿生結構基本單元與燃料入口，用以引導燃料進入流場；燃料出口處設有一條出口主干流道（８），連通各入口樹葉葉脈仿生結構基本單元與燃料出口，用以引導反應后的氣體通過出口排出。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳濤，李昌平，喬運乾，谷云飛，李明，宋兆華，王高志，
申請(專利權)人：武漢理工大學，
類型：發明
國別省市：83
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