叶脉状交指型燃料电池流道场结构、燃料电池双极板及燃料电池的制作方法

本发明涉及一种电池流道，尤其涉及利于质子交换膜燃料电池输出性能的流道。

背景技术：

燃料电池是在分子量级上通过氧化还原反应将燃料内储存的化学能直接转化为电能输出的装置。与传统热机有所区别的是，燃料电池能量转化的过程不受卡诺循环的限制，能量转化率较高。尤其是质子交换膜燃料电池，在热电联供时，能量转化率可达80％以上。同时由于使用的燃料是氢气和氧气，所以也具备了清洁能源的技术。

流道场是双极板上加工出来的具有一定形状的沟槽，负责运输反应物与生成物。流道结构设计的优劣，决定了反应物与生成物在流场内部流动状况的好坏。为使质子交换膜燃料电池正常运行，电极各处必须获得足够的反应物，并及时排出生成的水。故流道场的设计方案对燃料电池的性能有着较大影响。

流道场的设计方案会直接影响燃料气体的分布以及反应气体的排出，从而影响到燃料电池的效率。质子交换膜燃料电池属于低温电池，工作温度在室温至80℃之间，反应会产生液态水，如果流道场设计不当，可能会出现液态水聚集、流道“水淹”的状况，从而影响到燃料电池的工作效率。

目前常用的质子交换膜燃料电池流场有平行流场、蛇形流场以及交指型流场等。

平行流场的显著优点在于气体进出口之间的总压降较低，但流场宽度增加时，每个流道中的流体分布会出现不均匀现象，从而导致液态水堆积、传输损耗增加以及电流密度降低。

蛇形流场的优点在于排水能力，单一流动路径能够促进液态水的排出。但在大面积的流场中，蛇形流场的压降很大，且气体浓度分布不均匀。

传统交指型流场，如图1所示，促进了反应气体在扩散层中的强制对流，其水管理的效果远优于蛇形流场和平行流场，但气体扩散层中的强制对流导致了很大的压降损耗。

另外，现在也有仿叶脉设计的燃料电池流道场结构，如中国专利201510051039.0所公开的叶脉状燃料电池流场结构，其具有的特点是：气体流场结构为叶脉状流场，包括反应气进口，反应气出口和气体流道；其中反应气进口设在叶脉的叶柄处；反应气出口设在叶脉的叶尖处；气体流道包括进气口主干流道，出气口主干流道，多个进气分支流道和多个出气分支流道，反应气进口与进气口主干流道相连，反应气出口和出气口主干流道相连，进气口主干流道和进气口分支流道相连，出气口主干流道和出气口分支流道相连；所述进气分支流道为叶脉分叉形，所述出气分支流道与出气口主干流道相连位置延伸出的前半部分形状和进气分支流道相同、末端向内弯折插进进气分支流道的孔隙内。因此，出气分支流道的两端向内弯折，中部向外突出。再结合附图公开的流场结构，我们可以分析出这样的流场结构具有如下的缺陷：无论是进气分支流道，还是出气分支流道，均是沿着各自的主干流道进行分布的，同时，进气口主干流道、出气口主干流道是通过分割叶脉主干道而形成的，由此可知，这样做成的叶脉状流场，排气速度有限，传质效率存在一定的局限性。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供另一种仿叶脉状的电池流场结构，有效发挥了自然界叶脉状结构的流体流动阻力小的特点，电流密度分布和摩尔氧浓度分布的均匀性都有了很大的提高。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种叶脉状交指型燃料电池流道场结构，包括呈叶脉状流场设置的气体流场结构，气体流场结构包括反应气进口，反应气出口和气体流道；其中：反应气进口设在叶脉的叶柄处，反应气出口设在叶脉的叶尖处；气体流道包括进气主流道、出气主流道、进气分支流道和出气分支流道，反应气进口与进气主流道相连，反应气出口和出气主流道相连，进气主流道和进气口分支流道相连，出气主流道和出气分支流道相连；其特征在于：

进气主流道沿着该叶脉状流场的中部对称轴线布置，出气主流道具有两条，每一条出气主流道的一端均与反应气出口连接，另一端则沿着叶脉状流场的外侧边缘延伸，同时两条出气主流道相对于进气主流道对称分布；

进气分支流道具有偶数条，两两对称分布在进气主流道两侧，且每一条进气分支流道的一端与进气主流道连接，另一端朝向同侧的出气主流道延伸，且各进气分支流道相对于进气主流道的倾角均小于90度，同时进气分支流道的端部与同侧的出气主流道之间存在间隙；

出气分支流道具有偶数条，两两对称分布在进气主流道两侧，且每一条出气分支流道的一端与同侧的出气主流道连接，另一端朝向进气主流道延伸，且出气分支流道的端部与进气主流道之间存在间隙；

处于进气主流道同侧的出气分支流道、进气分支流道交错布置。

作为本发明的进一步改进，进气分支流道为波浪形弯曲状流道。

作为本发明的进一步改进，出气分支流道为具有若干枝丫的树枝状流道和/或者网状流道。

作为本发明的进一步改进，出气分支流道与出气主流道垂直连接。

作为本发明的进一步改进，所述叶脉状流场为仿鹅掌楸叶脉结构形成的流场；进气主流道的两侧均具有4条进气分支流道和3条出气分支流道；进气主流道每侧的4条进气分支流道，从叶脉的叶柄处到叶脉的叶尖处之间，长度依次减小，且紧靠着叶柄处的进气分支流道沿着叶脉流场的边缘位置布置；进气主流道每侧的3条出气分支流道，从叶脉的叶尖处到叶脉的叶柄处之间，分别为第一出气分支流道、第二出气分支流道、第三出气分支流道；第一出气分支流道呈条状流道设置，第二出气分支流道呈具有若干枝丫的树枝状设置，第三出气分支流道呈网状设置。

作为本发明的进一步改进，所述叶脉状流场为仿法国梧桐叶脉结构形成的流场；进气主流道的两侧均具有4条进气分支流道和4条出气分支流道，各进气分支流道、出气分支流道交错布置；进气主流道每侧的4条进气分支流道，从叶脉的叶柄处到叶脉的叶尖处之间，长度依次减小；进气主流道每侧的4条出气分支流道，从叶脉的叶尖处到叶脉的叶柄处之间，长度依次增加；且与叶脉的叶柄相邻的出气分支流道，沿着叶脉流场的边缘位置布置，并面向进气分支流道的一侧设置有若干气孔，而处于相邻两根进气分支流道之间的各出气分支流道，均呈具有若干枝丫的树枝状设置。

作为本发明的进一步改进，所述进气主流道、进气分支流道两者的流道表面积之和与出气主流道、出气分支流道两者的流道表面积之和一致。

作为本发明的进一步改进，各流道截面形状均为矩形，高度相等，宽度服从murray定律。

本发明的另一个技术目的是提供一种质子交换膜燃料电池双极板，所述双极板的两个板面均设有上述的流场结构。

本发明的再一个技术目的是提供一种微型质子交换膜燃料电池，所述燃料电池具有上述的流场结构。

根据上述的技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

本发明燃料电池流道场采用仿生叶脉型结构后，有效发挥了自然界叶脉状结构的流体流动阻力小的特点，电流密度分布和摩尔氧浓度分布的均匀性都有了很大的提高。流道场入口和出口的压力差维持在一个相对适当的数值，既不会产生较大的工作能耗，也可以使反应尽可能充分进行。本发明应用于质子交换膜燃料电池中，尤其是微型燃料电池中，可以减轻储氢的困难，进一步提高氢气的利用率，有着光明的市场前景。

同时，本发明还将交指型流场引入流道场结构的设计中来，负责进气的第二级流道(进气分支流道)与负责排气的第三级流道(排气分支流道)之间不连通，并通过特殊的布置方式，使得两者的流道面积基本一致，强制反应气通过流道场下方的由多孔介质组成的气体扩散层发生反应，加大了气体的强制对流，能够将这些流道内的气体尽快排出，提高了燃料气体的利用率，同时也减轻了浓差极化的现象。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为传统交指型质子交换膜燃料电池流道场的示意图；

图2为实施例1与实施例2几何结构示意图

图3为比较例1示意图

图4为比较例2示意图

图5为比较例3示意图

图6为比较例4示意图

图7为实施例1的电流密度分布示意图。

图8为实施例1的速度分布示意图。

图9为实施例1的摩尔氧浓度分布示意图。

图10为实施例1的压力分布图。

图11为实施例2的电流密度分布示意图。

图12为实施例2的速度分布示意图。

图13为实施例2的摩尔氧浓度分布示意图。

图14为实施例2的压力分布图。

图15为比较例1的电流密度分布示意图。

图16为比较例1的速度分布示意图。

图17为比较例1的摩尔氧浓度分布示意图。

图18为比较例1的压力分布图。

图19为比较例2的电流密度分布示意图。

图20为比较例2的速度分布示意图。

图21为比较例2的摩尔氧浓度分布示意图。

图22为比较例2的压力分布图。

图23为比较例3的电流密度分布示意图。

图24为比较例3的速度分布示意图。

图25为比较例3的摩尔氧浓度分布示意图。

图26为比较例3的压力分布图。

图27为比较例4的电流密度分布示意图。

图28为比较例4的速度分布示意图。

图29为比较例4的摩尔氧浓度分布示意图。

图30为比较例4的压力分布图。

图中：1-气体扩散层；2-反应气进口；3-反应气出口；4-进气分支流道；5-进气主流道；6-出气主流道；7-出气分支流道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。

如图2a、图2b所示，本发明公开了一种叶脉状交指型燃料电池流道场结构，包括呈叶脉状流场设置的气体流场结构，气体流场结构包括反应气进口，反应气出口和气体流道；其中：反应气进口设在叶脉的叶柄处，反应气出口设在叶脉的叶尖处；气体流道包括进气主流道、出气主流道、进气分支流道和出气分支流道，反应气进口与进气主流道相连，反应气出口和出气主流道相连，进气主流道和进气口分支流道相连，出气主流道和出气分支流道相连；其特征在于：

进气主流道沿着该叶脉状流场的中部对称轴线布置，出气主流道具有两条，每一条出气主流道的一端均与反应气出口连接，另一端则沿着叶脉状流场的外侧边缘延伸，同时两条出气主流道相对于进气主流道对称分布；

进气分支流道具有偶数条，两两对称分布在进气主流道两侧，且每一条进气分支流道的一端与进气主流道连接，另一端朝向同侧的出气主流道延伸，且各进气分支流道相对于进气主流道的倾角均小于90度，同时进气分支流道的端部与同侧的出气主流道之间存在间隙；

出气分支流道具有偶数条，两两对称分布在进气主流道两侧，且每一条出气分支流道的一端与同侧的出气主流道连接，另一端朝向进气主流道延伸，且出气分支流道的端部与进气主流道之间存在间隙；

处于进气主流道同侧的出气分支流道、进气分支流道交错布置。

作为本发明的进一步改进，进气分支流道为波浪形弯曲状流道。

作为本发明的进一步改进，出气分支流道为具有若干枝丫的树枝状流道和/或者网状流道。

作为本发明的进一步改进，出气分支流道与出气主流道垂直连接。

作为本发明的进一步改进，所述叶脉状流场为仿鹅掌楸叶脉结构形成的流场；进气主流道的两侧均具有4条进气分支流道和3条出气分支流道；进气主流道每侧的4条进气分支流道，从叶脉的叶柄处到叶脉的叶尖处之间，长度依次减小，且紧靠着叶柄处的进气分支流道沿着叶脉流场的边缘位置布置；进气主流道每侧的3条出气分支流道，从叶脉的叶尖处到叶脉的叶柄处之间，分别为第一出气分支流道、第二出气分支流道、第三出气分支流道；第一出气分支流道呈条状流道设置，第二出气分支流道呈具有若干枝丫的树枝状设置，第三出气分支流道呈网状设置。

作为本发明的进一步改进，所述叶脉状流场为仿法国梧桐叶脉结构形成的流场；进气主流道的两侧均具有4条进气分支流道和4条出气分支流道，各进气分支流道、出气分支流道交错布置；进气主流道每侧的4条进气分支流道，从叶脉的叶柄处到叶脉的叶尖处之间，长度依次减小；进气主流道每侧的4条出气分支流道，从叶脉的叶尖处到叶脉的叶柄处之间，长度依次增加；且与叶脉的叶柄相邻的出气分支流道，沿着叶脉流场的边缘位置布置，并面向进气分支流道的一侧设置有若干气孔，而处于相邻两根进气分支流道之间的各出气分支流道，均呈具有若干枝丫的树枝状设置。

作为本发明的进一步改进，所述进气主流道、进气分支流道两者的流道表面积之和与出气主流道、出气分支流道两者的流道表面积之和一致。

作为本发明的进一步改进，各流道截面形状均为矩形，高度相等，宽度服从murray定律。

本发明的另一个技术目的是提供一种质子交换膜燃料电池双极板，所述双极板的两个板面均设有上述的流场结构。

本发明的再一个技术目的是提供一种微型质子交换膜燃料电池，所述燃料电池具有上述的流场结构。

以下将结合附图以及两个实施例，详细地说明本发明的具体技术方案。

【实施例1】

图2为模仿鹅掌楸叶脉结构的质子交换膜燃料电池多级交指型流道场示意图。

如图2所示，一种叶脉状交指型燃料电池流道场，包括反应气进口2，反应气出口3，第一级流道(进气主流道)5，多条第二级流道(进气分支流道)4，出气主干流道6，多条第三级流道(出气分支流道)7。反应气进口2处为叶脉的叶柄处，反应气出口3处为叶脉的叶尖处，气体扩散层1位于下方。

其中反应气进口2与第一级流道5相连，第一级流道5与第二级流道4相连，第三级流道7与出气主干流道6相连，反应气出口3与出气主干流道6相连。第二级流道4与第三级流道7不相连。

本实施例中第一级流道5深度为1mm，宽度为0.92mm，第二级流道经过计算机辅助设计软件的精准测绘，仿照自然界叶脉的分布规律，分布于第一级流道5上，深度为1mm，宽度为0.72mm；两级流道的尺寸符合murray定律，便于流体更均匀地分布。

本实施例中出气主干道6深度为1mm，宽度为0.92mm；第三级流道7分布于出气主干流道6周围，深度为1mm，宽度为0.55mm；第二级与第三级流道的尺寸依旧符合murray定律。

本实施例使用时，燃料气从反应进气口2流入第一级流道5，随后通过第二级流道4进入反应区，断开第三级流道7与第二级流道4之间的连接，强制反应气体流入下方的多空气体扩散层，提高燃料气的利用率。出气主干流道6分布于流场外围，提升反应气体分布的均匀性。反应结束后，气体由出气口3流出。

该流道场结构复杂，传统的机械加工方式难以加工，故选用增材制造中的选取激光融化技术进行加工制造。

本发明采用有限元分析的方法对其性能进行数值模拟，从而做出评估。有限元分析采用的软件为comsolmultiphysics5.3a，几何建模采用的软件是catiav5-6r2017。在comsolmultiphysics中，选择浓物质传递物理场，同时选择偏微分方程自行定义催化层上的条件。

首先利用comsolmultiphysics的cad导入模块导入几何模型，并利用虚拟操作忽略各级流道之间重合部分的多余线条，从而简化计算。在流道场底部添加一块40mm*40mm的气体扩散层底板。

在模型开发器的组件节点下，选择定义节点，定义入口、出口与阴极。在此，我们对该模型做出以下假设：

(1)流道内流动为层流

(2)没有重力的影响

(3)气体的流动方式为层流

(4)气体扩散层和催化层具有各向同性

(5)阴极生成的水为气态

(6)氧化剂为纯氧气

(7)反应中电池始终处于稳态

叶脉仿生流道结构属于复杂流道结构，主流道两端分别有一个入口和一个出口。在定义的阳极与阴极流道入口，定义为层流流入后，将氧气、氮气和水的组分浓度、气体进入流道的进气的质量流量进行给定。出口处的压力为0pa，并且定义为法向流。将气体扩散层与双极板相接处的部分设置为滑移面，流道的边界壁设为无滑移。

模型参数定义如下：

模型参数

划分网格时，采用物理场控制网格这一划分模式对几何模型进行自动网格剖分，并在此基础上开展有限元分析，获得压力、速度、摩尔氧分布以及电流密度等重要参数的几何分布情况。

【实施例2】

图3为模仿法国梧桐叶脉结构的质子交换膜燃料电池多级交指型流道场示意图，二者表面积相等，实施例2与实施例1流道场的表面积及各级流道尺寸相同，二者仅几何结构不同。

从仿真结果可以看出，实施例1与实施例2的摩尔氧浓度和电流密度分布均较为均匀，入口与出口的压力差也控制在一个合理的范围内，从而优化了燃料电池的输出性能。

【比较例1】

保持有限元分析各参数数值相同，将鹅掌楸形几何模型第二、第三级流道的宽度均修改为0.92mm。可以看出，实施例的压力差稍大于比较例，对于交指型流道场而言，适当提高出入口的压力差有助于强迫气体在流经第二级流道以后，通过气体扩散层，使得气体扩散层内的反应更加充分，从而提高燃料气提的利用率。

【比较例2】

保持有限元分析各参数数值相同，将法国梧桐形几何模型第二、第三级流道的宽度均修改为0.92mm。同样，此处实施例的压力差比比较例稍大，有助于提高燃料气提的利用率。

【比较例3】

在保证表面积相同、各模拟参数相等的情况下，作为比较例的传统交指型流道各项指标的极差与实施例之间差别不大，但是在电流密度与摩尔氧分布方面，交指型流场的这两项参数分布得很不均匀，与实施例相比差距较大，对燃料电池的总体性能不利。

【比较例4】

在保证表面积相同、各模拟参数相等的情况下，作为比较例的传统蛇形流道场电流密度分布与摩尔氧浓度分布的均匀性虽然得到了提高，但出入口处的压力差显著大于实施例，这会导致燃料电池工作时压力损耗的增大，从而导致电池的能耗增加，对提高电池的工作效率极为不利。

可以看出，实施例在各个参数指标方面均进行了优化，以期达到燃料电池的最有效能。

本发明虽然已以较佳实例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容，对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。