一种基于仿生原理的混合流场质子交换膜燃料电池双极板的制作方法

本实用新型涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其是一种基于仿生原理的混合流场质子交换膜燃料电池双极板。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、无污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源。双极板是PEMFC的重要部件,其两面都有加工出的流道,起着分布反应气、收集电流、机械支撑、水热控制以及分隔阴阳两极反应气的重要作用。实际上,作为燃料电池的重要组成构件,双极板占据了整个电堆重量的百分之六十以上,以及整个电堆成本的百分之三十以上,而双极板流道设计的合理性很大程度上决定了燃料电池的性能。因此，研发新型的双极板结构对提高燃料电池的性能、降低成本具有重要意义。

传统的双极板流道有平行流道、蛇形流道、针形流道、螺旋流道交指流道等形式，这几种流道形式各有利弊：平行流道虽然压降较小，但反应气体在通道内的存留时间较短使得反应气体利用率较低；蛇形流道具有排水强的特点，但是流道过长时容易造成反应气体压降过大；针形流道结构简单，但是反应气体易发生短路；交指型流道强化了对流传质，有利于提高电池的极限电流密度，但易造成液态水在流道始端滞留。

经文献检索，授权公开号：CN206697552U，名称为一种混合型结构流场的燃料电池双极板。该实用新型提供了一种复合型流场结构的双极板，该双极板本体上设有反应气体进口、反应气体出口、蛇形流道、针形流道和直通型流道，蛇形流道的出口与针形流道的进口连通，反应气经过针形流道进入直通型流道，直通型流道由多个并排布置的直通型流道单元组成。该实用新型的优点是反应气压降低、分布均匀。但该实用新型中，由于沿流体流动方向反应物浓度降低，电流密度降低，且反应后段流速降低，排水能力差。

技术实现要素：

本实用新型的目的是，克服现有技术存在的缺陷，应用仿生原理有效的解决现有双极板反应气体压降过大、反应气体分布不均匀等问题，提供一种基于仿生原理的混合流场质子交换膜燃料电池双极板。这种新型的仿生结构混合流场双极板,能够有效地均匀分配反应气体到各分支流道，使气体能均匀地分布在反应流场，而且能够有效地防止流道堵塞，在一定程度上减少了气体在流道内的流通阻力，使得燃料电池的性能和稳定性均有所提高。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种基于仿生原理的混合流场质子交换膜燃料电池双极板，包括流道入口、定位销孔、针形流道、密封槽、仿生流道、直流道、流道出口和双极板本体，其中流道入口、定位销孔、针形流道、密封槽、仿生流道、直流道、流道出口均加工于双极板本体上，定位销孔位于双极板本体的四个角上，针形流道位于流道入口处，仿生流道与直流道联通，其特征在于：所述的流道是一种针形流道、仿生流道和直流道相配合的混合型流道，针形流道由内外两排横向错开的圆柱体组成，仿生流道沿流场方向呈叶脉状收缩分布，区域呈椭圆形，直流道区域呈圆形。

作为优选的实施方案，所述的流道是一种针形流道、仿生流道和直流道相配合的混合型流道，仿生流道所占比例最大。

作为优选的实施方案，所述的针形流道由内外两排横向错开的圆柱体组成，正对入口处为平行交错分布，其余为椭圆形均布，椭圆长短半轴比为1:0.618，外层圆柱体数比内层圆柱体数少一个，针形流道区域宽度与仿生流道椭圆轮廓短半轴长度相等。

作为优选的实施方案，所述的仿生流道外侧为主干均布流道，内侧流道沿流场方向呈叶脉状收缩分布，区域呈椭圆形，长短半轴比为1:0.618，主干流道宽度在5～20mm之间,支流道的数目越多,主流道的宽度越大,主流道与支流道的夹角在0°～90°之间,支流道的宽度在0.2～2mm之间,支流道的长度在5～100mm之间。

作为优选的实施方案，直流道与仿生流道一一贯通，平行于中轴线对称分布，且越靠近两侧的流道宽度越窄，外侧为主干流道。

作为优选的实施方案，流道入口和流道出口呈长方形，长宽比为1:0.618。

作为优选的实施方案，密封槽为椭圆形，长短半轴比为7:4，截面为上宽下窄的梯形。

本实用新型的优在于，

(1)混合型流道结合了直流道、仿生流道和针形流道的优点，以仿生流道为主可以提高电池的化学反应效率,降低流动阻力和压差，提高反应气体的利用率，充分发挥其易于排出液态水的能力，避免“水淹”现象。

(2)结构简单的针形流道用于有利于减少气体在流道内的阻力,从而降低燃料入口或氧化剂入口到燃料出口氧化剂的压力损失，同时,有利于仿生流道的气体的分配,提高燃料电池的稳定性。

(3)直流道充分利用了反应区域，提高尾段反应气体流速，进一步强化传质，实现反应气体沿流动方向速度逐渐增加，以速度梯度平衡浓度梯度引起的浓差极化对电池性能的影响，降低电池浓差极化电阻，提高电池的电压效率、反应气体利用率和功率密度。

(4)在流道外围还设有梯形密封槽,在金属双极板堆叠串联为电堆时,可在密封槽内放置与其形状尺寸匹配的密封圈,进而可给流道区域提供一个相对密封的环境,不易发生流体泄漏和互混的问题。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

其中，1-流道入口、2-定位销孔、3-针形流道、4-密封槽、5-仿生流道、6-直流道、7-流道出口、8-双极板本体

具体实施方式

结合说明书附图，进一步说明本实用新型的具体实施过程。

如图1所示，一种基于仿生原理的混合流场质子交换膜燃料电池双极板，包括流道入口1、定位销孔2、针形流道3、密封槽4、仿生流道5、直流道6、流道出口7和双极板本体8，其中流道入口1、定位销孔2、针形流道3、密封槽4、仿生流道5、直流道6、流道出口7均加工于双极板本体8上，定位销孔2位于双极板本体8的四个角上，针形流道3、仿生流道5和直流道6相配合，针形流道3位于流道入口1 处，针形流道3由内外两排横向错开的圆柱体组成，仿生流道5沿流场方向呈叶脉状收缩分布，区域呈椭圆形，直流道6与仿生流道5联通，区域呈圆形。

反应气体从流道入口1先进入针形流道3均匀分布，然后从仿生流道5的两条主流道流入渐缩流道，后进入直流道6，最后经反应和消耗后的尾气从流道出口7排出双极板外。整个过程均匀进行，反应充分，提高了反应气体的利用率及电池输出性能的稳定性，并降低了反应气体的压降。