[发明专利]基于树叶仿生结构的质子交换膜燃料电池双极板

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池的双极板，具体说是基于树叶仿生结构的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(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，缩写：PEMFC)是一种将氢燃料的化学能通过化学反应直接转化为电能的装置。它具有功率密度高、能量转化效率高、常温启动快、对环境污染小、灵活等特点。广泛应用于交通、分布式发电、航空航天等领域。

双极板是PEMFC及其电池堆的主要和重要部件之一。在电池堆中每块双极板与两个单电池有关，它的一个侧面为一个单电池的阳极流场，另一个侧面为相邻单电池的阴极流场。双极板的作用如下：(1)分配电池放电所需的燃料与氧化剂；(2)排出电池堆内各个单电池电化学反应生成的水；(3)在电池堆中分离各个单电池，收集每节单电池电流；(4)传导每节单电池工作时产生的热量。流场是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应剂与生成物提供进出通道，流场结构决定反应剂与生成物在流场内的流动状态，要保证PEMFC正常运行，必须使电极各处均能获得充足的反应剂、并及时将电池生成的水排出，因此，流场结构对PEMFC的性能有很大的影响。据报道，合适的流场结构能使电池性能提高50％左右。

PEMFC双极板的流场常见有蛇型流场和平行流场等。其中蛇形流场只有一条通道，其截面多采用矩形。其主要优点是能迅速排除生成的液体水，不易出现堵塞通道的情况。但是，对于面积比较大的双极板，会因为通道过长而造成电池内的气体浓度分布不均匀，而引起电流密度的不均匀，不能充分利用催化层，并且流道内的压降较大，流道出口处因气压降低，存在液体水积累而可能造成水淹现象，从而影响电池的性能。

平行流场相对于蛇型流场来说，通道数目较多而短，而且通道之间相互并联。因此平行流场具有流动阻力小的优点，在一定程度上能够降低压力损失，提高电池的整体效率。然而，在电池持续工作的过程中，由于通道数目多，气流流速一般不大，水不易被排出，在通道间的肋条下和通道的边缘聚集，从而造成部分电极水淹的情况。实际应用中还发现，由于通道数目较多，各通道中气体的流动和反应情况的细微差别会对电池的整体性能造成扰动，出现电池性能不稳定的情况。

仔细观察自然界中的一些事物，如树、根系、叶的脉络、河岸、闪电、血脉、神经网络等生命和非生命系统，人们会对其各种外部形状和内部性质留下深刻印象。各种自然结构是长时间演化而成，由进化论的观点，其结构应该是最优或接近最优的结构。自然界中的传质或传热机构如动物肺和树叶等被认为是一种自然优化的强化换热和传质的网络流道，它具有均匀的微管分布，并有利于能量和物质的传递运输。PEMFC双极板的流场结构与动物肺和树叶的传质或传热功能类似。那么，我们可以得到启示：为什么自然界中的动物肺和树叶这类结构能实现优化的传质与传热呢？将自然界的这种优良的传热、传质结构应用于PEMFC双极板流场的结构设计，从而得到性能优异的PEMFC双极板流场结构，弥补现有流场结构的不足，提升燃料电池的性能。

发明内容

本发明所解决的技术问题是针对上述现有技术的不足而提出基于树叶仿生结构的质子交换膜燃料电池双极板，这种新型的树叶仿生结构流场，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；能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。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于树叶仿生结构的质子交换膜燃料电池双极板，其正反面分别为阳极流场板和阴极流场板，阴极流场板和阳极流场板上均设置有燃料入口、燃料出口、氧化剂入口、氧化剂出口、冷却剂入口以及冷却剂出口，其特征在于：阴极流场板和阳极流场板为交指型流场，所述的交指型流场由若干个树叶叶脉仿生结构的基本单元组成，燃料入口处设有一条入口主干流道，连通各入口树叶叶脉仿生结构基本单元与燃料入口，用以引导燃料进入流场；燃料出口处设有一条出口主干流道，连通各入口树叶叶脉仿生结构基本单元与燃料出口，用以引导反应后的气体通过出口排出。

按上述方案，每个树叶叶脉仿生结构的基本单元包括有主流道和支流道，主流道的宽度根据支流道的数目来确定，其宽度在10～30mm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60°～80°之间，支流道的宽度在0.8～3mm之间，支流道的长度在50～200mm之间。