[发明专利]叶脉状燃料电池流场结构、燃料电池双极板及燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池流场结构，特别涉及一种基于叶脉状仿生的质子交换膜燃料的流场结构、燃料电池双极板及燃料电池。

背景技术

燃料电池是在分子量级上通过氧化还原反应将储存在燃料中的化学能直接转换为电能输出的装置。它不同于传统热机，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，热电联供时，总能量转化效率可达到80％以上，由于其使用的是氢气和氧气作为燃料，所以同时具备了清洁能源的技术。

双极板又称集流板，是燃料电池的重要部件，需满足如下有求：(1)实现电池间电的联接；(2)排除电池内化学反应产生的废热；(3)分隔燃料和氧化剂。

流场是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应物和生成物提供进出通道，流道结构决定反应物与生成物在流场内的流动状态，要保证质子交换膜燃料电池正常运行，必须使电极各处均能获得充足的反应物，并及时将生成的水排出，因此流场机构对质子交换膜燃料电池的性能有很大的影响。

流场设计的优劣直接会反应到燃料气体的分布和反应产物的排出，从而对燃料电池的效率产生一定的影响。其中，质子交换膜燃料电池属于低温电池，其工作温度一般在室温到80℃，所以不可避免的产生液态水，这对于流道设计有着更高的要求，一个好的质子交换膜燃料流场设计应能合理的分布反应气体，还有及时排出生成的水，防止流道″水淹″降低电池效率。

现在常用的质子交换膜燃料电池流场有平行流场、蛇形流场及交指型流场等。

平行流场的一个显著优点在于气体进口和出口之间的总压降较低，但当流场的宽度相对较大时，每个流道中的流体分布会出现不均匀的现象，这就会引起部分区域的水的堆积，导致传输耗损的增加，从而降低了电流密度。

蛇型流场的优点在于排水能力，单一流动路径能推动液态水的排出。但在大面积的流场中，蛇型流场的压降很大，且气体浓度分布不均匀。

交指型流场的设计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平行流场和蛇型流场，但气体扩散层中的强制对流导致很大的压降损耗。

质子交换膜燃料电池使用氢气和氧气作为燃料，由于氢气并非随处可得且氢气具有较低的体积能量密度，所以氢气的制备及储备为现阶段质子交换膜燃料电池的难题之一，特别是微型质子交换膜燃料电池，氢气的储存量是一定的，提高氢气利用率是提升微型电池性能的关键之一。流场板的几何形状中，如图1所示的，交指型流场的性能是较高的一种，因其压差较大，所以经常会用于微型质子交换膜燃料电池中。

交指型流场能提高电池效率且排水较好，但因为是不连续流场，电池中压力较大，不适应有效面积过大的流传设计。

发明内容

本发明的目的是针对常规流场的不足，提供了一种基于仿生相似基础上的分形流场，通过新的流场几何形状的设计，提高燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池的整体性能。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案：

一种叶脉状燃料电池流场结构，其中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。

优选的，气体流场为交指型流场。

进一步，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。

进一步，进气口分支流道分布在进气口主干流道的周围，进气口分支流道与进气口主干流道的夹角为约37度。

进一步，出气口分支流道分布在出气口主干流道的周围，出气口分支流道与出气口主干流道的夹角为约37度。

进一步，进气口分支流道和出气口分支流道不对称分布。

进一步，分支流道的宽度略小于主干流道的宽度。

本发明还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前述的流场结构。

本发明提供一种微型质子交换膜燃料电池，所述燃料电池具有采用具有前述的流场结构的双极板。

本发明的有效效果：

与现有技术相比，本发明将叶脉的结构引入流场设计，将叶脉中流体流动阻力小，流体分布均匀的特点使用于流场设计，部分提升了电池性能。本发明的叶脉仿生流场结构用于燃料电池中，特别是微型燃料电池中，可以减轻储氢的困难及提高燃料利用率，有着广泛的社会效益与市场前景。