一种仿生多级分叉流场的燃料电池双极板及其实现方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术，具体涉及一种仿生多级分叉流场的燃料电池双极板及其实现方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池是一种能量转换装置，将化学能直接转化为电能，其工作原理为：双极板将反应气体氢气和氧气输送到电池内部，使得气体分布于气体扩散层上，再通过扩散或对流等方式将气体传输到催化层的反应位点。阳极侧的氢气在催化剂的作用下生成电子和氢质子，外电路的电子负载将电子输送到阴极，氢质子通过质子交换膜传输到阴极。阴极侧的氧气分子、氢质子和电子在催化剂的作用下生成水和热，同时产生电能。具有可低温运行、零排放、低噪声、高可靠性和快速启动等优点，在新能源汽车、无人机、船舶、军事等领域有着广阔的应用前景。
3.双极板作为燃料电池的关键组成部件，具有支撑电池、阻隔阴阳极反应气体、收集电流等作用，而双极板上的流场结构直接决定反应物和生成物的分布情况，进而影响电化学的反应速率。传统平行流场加工简单且制造成本低，工作压力低，应用广泛，但存在反应物分布不均、水淹等性能问题。传统蛇形流场具有良好的排水性能，制造相对简单，但存在沿流动方向的电流密度分布不均匀、压降过大等性能问题。传统交指型流场可大幅度提升扩散层反应物浓度，快速排出反应生成的水，但是封闭的流道使得流场压降过大，直接影响电池的输出功率和使用寿命。因此，双极板流场结构需要保证均匀分布并分配反应物、快速排出反应产物水和降低压降的等性能指标。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种仿生多级分叉流场的燃料电池双极板及其实现方法，利用自然界循环和输送系统(如动物血管、植物叶脉等)的多级比例结构，设计仿生多级分叉流场，通过改变气体流动路径和传输方式，使反应物分布更均匀，降低压降的同时快速排出反应产物水，改善电池内部的传质和水管理效率，确保电流密度均匀分布，从而提升电池的整体性能。
5.燃料电池包括：双极板、气体扩散层和催化层和质子交换膜；质子交换膜位于中心，两侧从内至外分别为对称分布的阴极和阳极催化层、阴极和阳极气体扩散层以及阴极和阳极双极板，本发明的仿生多级分叉流场的燃料电池双极板作为燃料电池的阴极和阳极双极板，燃料电池双极板面向气体扩散层的表面为前表面。
6.本发明的一个目的在于提出一种仿生多级分叉流场的燃料电池双极板。
7.本发明的仿生多级分叉流场的燃料电池双极板包括：双极板主体、进口、中分配流道、左上分配流道、右上分配流道、左侧收集流道、右侧收集流道、左下收集流道、右下收集流道、流道单元网、左出口和右出口；其中，双极板主体为平面板，在双极板主体的前表面的顶部中心刻有进口，在双极板主体的前表面中心沿竖直方向上刻有与进口连通的中分配流
道，中分配流道沿气流传输方向上分为n个等级，且每个等级的长度和宽度沿气流传输方向呈梯度降低，n为≥4的自然数；在双极板主体的前表面的顶部沿水平方向上刻有与进口连通且分别位于进口两侧的左上分配流道和右上分配流道，左上分配流道和右上分配流道关于竖直中心线对称分布，左上分配流道和右上分配流道沿气流传输方向上分为m个等级，且每个等级的长度和宽度沿气流传输方向呈梯度降低，m为≥2的自然数；在双极板主体的前表面的两侧沿竖直方向上分别刻有左侧收集流道和右侧收集流道，左侧收集流道和右侧收集流道关于竖直中心线对称分布，左侧收集流道和右侧收集流道沿气流传输方向上与中分配流道一致分为n个等级，且每个等级的长度和宽度沿气流传输方向呈梯度增加；在双极板的前表面的底部沿水平方向上刻有与中分配流道连通且分别位于中分配流道两侧的左下收集流道和右下收集流，左下收集流道和右下收集流道关于竖直中心线对称分布，并且分别与左侧收集流道和右侧收集流道连通，左下收集流道和右下收集流道沿气流传输方向上分为k个等级，且每个等级的长度和宽度沿气流传输方向呈梯度增加，k为≥3的自然数；左侧收集流道与左下收集流道的汇集处以及右侧收集流道与右下收集流道的汇集处分别刻有左出口和右出口，左出口和右出口关于竖直中心线对称分布；
8.中分配流道、左上分配流道和右上分配流道统称为分配流道，左侧收集流道、右侧收集流道、左下收集流道和右下收集流道统称为收集流道；分配流道与收集流道之间围成的区域内刻有连通的流道单元网；流道单元网依据自相似且仿射规律分布，从而流道单元网与分配流道和收集流道形成仿生多级分叉流场；流道单元网关于竖直中心线对称分布，流道单元网包括一级流道单元和二级流道单元；其中，
9.一级流道单元包括一级父流道、一级水平子流道和一级竖直子流道；在分配流道与收集流道之间刻有连通分配流道与收集流道的多条互相平行的一级父流道，即左上分配流道与左侧收集流道之间、中分配流道与左侧收集流道之间、中分配流道与左下收集流道之间、右上分配流道与右侧收集流道之间、中分配流道与右侧收集流道之间以及中分配流道与右下收集流道之间刻有多条互相平行的一级父流道，一级父流道与竖直中心线具有锐角的夹角，相邻的一级父流道之间的距离相等；在每一条一级父流道的上边缘刻有与其连通的沿水平方向的多条一级水平子流道，相邻的一级水平子流道之间的距离相等；在每一条一级父流道的下边缘刻有与其连通的沿竖直方向的多条一级竖直子流道，相邻的一级竖直子流道之间的距离相等；
10.二级流道单元包括二级父流道、二级水平子流道和二级竖直子流道；一级竖直子流道的末端连通二级父流道，并且位于左上分配流道与左侧收集流道之间以及右上分配流道与右侧收集流道之间的一级父流道的一级水平子流道的末端连通有二级父流道，二级父流道平行于一级父流道；二级父流道的末端分别连通二级水平子流道和二级竖直子流道；二级水平子流道沿水平方向，二级竖直子流道沿竖直方向；二级水平子流道的末端连通至沿气流传输方向的下一条一级竖直子流道，二级竖直子流道的末端连通至沿气流传输方向的下一条一级父流道；一级水平子流道的末端连通至沿气流传输方向的下一个二级竖直子流道；
11.一级水平子流道、一级竖直子流道、二级父流道、二级水平子流道和二级竖直子流道沿气流传输方向的末端连通至相应的左侧收集流道、右侧收集流道、左下收集流道或右下收集流道；每一级流道单元的子流道与父流道为分叉结构，两级流道单元构成的流道单
元网为多级分叉结构；
12.当燃料电池工作时，反应气体从进口进入，通过左上分配流道、右上分配流道和中分配流道将反应气体传输至流道单元网，由于左上分配流道、右上分配流道和中分配流道在沿气体传输方向上的长度和宽度呈梯度降低，从而通过梯度改变流道的宽度进而改变流道的截面积，传输同等流量的反应气体，保证距离进口位置较远的分配流道同样能够获得较大的反应气体流速，使得反应气体定向传输的同时提升仿生多级分叉流场的传质效率，同时与分配流道的各不同等级相连的各不同级流道单元的反应气体能够以相等流速进入整个仿生多级分叉流场进行反应气体传输，促进反应气体均匀分布，进而使反应气体均匀快速的进入催化层进行电化学反应，电化学反应产生生成物水；从分配流道传输至流道单元网的反应气体，首先进入一级父流道，一级父流道连通分配流道和收集流道，利用一级父流道贯通直达式结构特点将反应气体和生成物水直接传输至收集流道，进行第一梯度定向传输，从而缩短了仿生多级分叉流场从进口到出口的传输路径，显著降低燃料电池的压降和泵送功率，使得生成物水快速排出；一级水平和竖直子流道等距分布在一级父流道上，利用反应气体在水平和竖直方向上的分力，传输反应气体和生成物水至收集流道，进行第二梯度定向传输；每条一级竖直子流道的末端为二级流道单元的入口，一级水平子流道和一级竖直子流道的未反应的气体再次进入二级父流道，对竖直方向的一级竖直子流道传输过来的反应气体和生成物水，进行第三梯度定向传输；分别处于竖直和水平方向的二级竖直子流道和二级水平子流道，再次利用反应气体在水平和竖直方向上的分力，传输反应气体和生成物水，进行第四梯度定向传输；并且二级流道单元的二级水平子流道和二级竖直子流道又连接回至一级流道单元，最终利用多次定向引导循环方式将反应气体和生成物水传输至收集流道；同时使得未发生反应的气体得到多次循环传输利用，使仿生多级分叉流场内部不存在反应气体未到达的地方，提高燃料电池的反应气体的利用率；流道单元网的多级分叉结构能够梯度定向地将生成物水排到收集流道，这种结构的排水机制显著改善燃料电池的排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性；由于收集流道在沿气体传输方向上的长度和宽度呈梯度增加，并且宽度随着靠近出口的距离减小而增大，从而避免靠近出口过大的传质任务的流道出现堵塞现象，使得从各不同级流道单元和各分配流道传输汇集过来的反应气体和生成物水及时呈梯度从左出口和右出口排出。
13.中分配流道的各等级的宽度满足wz
(n-1)
＝kz·wzn
，n＝2，
…
n，wz
(n-1)
为中分配流道第n-1等级的宽度，w
zn
为中分配流道第n等级的宽度，kz中分配流道的梯度宽度比，1.2≤kz≤1.5；中分配流道的各等级的长度满足l
z(n-1)
＝tz·
l
zn
，lz
(n-1)
为中分配流道第n-1等级的长度，l
zn
为中分配流道第n等级的长度，tz为中分配流道的梯度长度比，1.2≤tz≤1.5。
14.左和右上分配流道的各等级的宽度满足w
s(m-1)
＝ks·wsm
，m＝2，
…
m，w
s(m-1)
为左和右上分配流道第m-1等级的宽度，w
sm
为左和右上分配流道第m等级的宽度，ks为左和右上分配流道的梯度宽度比，1.1≤ks≤1.6；左和右上分配流道的各等级的长度满足l
s(m-1)
＝ts·
l
sm
，l
s(m-1)
为左和右上分配流道第m-1等级的长度，l
sm
为左和右上分配流道第m等级的长度，ts为左和右上分配流道的梯度长度比，1.1≤ts≤1.6。
15.左和右侧收集流道的各等级的宽度满足w
b(n-1)
＝kb·wbn
，n＝2，
…
n，w
b(n-1)
为左和右侧收集流道第n-1等级的宽度，w
bn
为左和右侧收集流道第n等级的宽度，kb为左和右侧收集流道的梯度宽度比，0.5≤kb≤0.9；左和右侧收集流道的长度满足l
b(n-1)
＝tb·
l
bn
，l
b(n-1)
为左和右侧收集流道第n-1等级的长度，l
bn
为左和右侧收集流道第n等级的长度，tb为左和右侧收集流道的梯度长度比，0.5＜tb≤0.9。
16.左和右下收集流道的各等级的宽度满足w
x(k-1)
＝k
x
·wxk
，w
x(k-1)
为左和右下收集流道第k-1等级的宽度，w
xk
为左和右下收集流道第k等级的宽度，k
x
为左和右下收集收集流道的梯度长度比，0.5≤k
x
≤0.9；长度满足l
x(k-1)
＝t
x
·
l
xk
，l
x(k-1)
为左和右下收集流道第k-1等级的长度，l
x(k-1)
为左和右下收集流道第k等级的长度，t
x
为左和右下收集收集流道的梯度宽度比，0.5＜t
x
≤0.9。
17.一级父流道与竖直中心线的夹角α满足45
°
≤α≤65
°
。一级父流道与二级父流道的宽度满足w
f1
＝kf·wf2
，w
f1
为一级父流道的宽度，w
f2
为二级父流道的宽度，kf为一级父流道与二级父流道的宽度比，1.0＜kf≤1.2；同级流道单元的父流道与子流道的宽度关系满足wf＝ke·
we，wf为父流道的宽度，we为子流道的宽度，ke同级流道单元的父流道与子流道的宽度比，1.0≤ke≤2.0。
18.双极板主体的材料采用石墨、钛、铌、铝、铜和不锈钢中的一种。
19.各流道的深度d相等，均为1.0mm～2.0mm。
20.本发明的另一个目的在于提出一种仿生多级分叉流场的燃料电池双极板的实现方法。
21.本发明的仿生多级分叉流场的燃料电池双极板的实现方法，包括以下步骤：
22.1)燃料电池工作时，反应气体从进口进入，通过左上分配流道、右上分配流道和中分配流道将反应气体传输至流道单元网，由于左上分配流道、右上分配流道和中分配流道在沿气体传输方向上的长度和宽度呈梯度降低，从而通过梯度改变流道的宽度进而改变流道的截面积，传输同等流量的反应气体，保证距离进口位置较远的分配流道同样能够获得较大的反应气体流速，使得反应气体定向传输的同时提升仿生多级分叉流场的传质效率，同时与分配流道的各不同等级相连的各不同级流道单元的反应气体能够以相等流速进入整个仿生多级分叉流场进行反应气体传输，促进反应气体均匀分布，进而使反应气体均匀快速的进入催化层进行电化学反应，电化学反应产生生成物水；
23.2)从分配流道传输至流道单元网的反应气体，首先进入一级父流道，一级流道连通分配流道和收集流道，利用一级父流道贯通直达式结构特点将反应气体和生成物水直接传输至收集流道，进行第一梯度定向传输，从而缩短了仿生多级分叉流场从进口到出口的传输路径，显著降低燃料电池的压降和泵送功率，使得反应生成的水快速排出；一级水平和竖直子流道等距分布在一级父流道上，利用反应气体在水平和竖直方向上的分力，传输反应气体和生成物水到收集流道，进行第二梯度定向传输；每条一级竖直子流道的末端为二级流道单元的入口，一级水平子流道和一级竖直子流道的未反应的气体再次进入二级父流道，对竖直方向的一级竖直子流道传输过来的反应气体和生成物水，进行第三梯度定向传输；分别处于竖直和水平方向的二级竖直子流道和二级水平子流道，再次利用反应气体在水平和竖直方向上的分力，传输反应气体和生成物水，进行第四梯度定向传输；并且二级流道单元的二级水平子流道和二级竖直子流道又连接回至一级流道单元，最终利用多次定向引导循环方式将反应气体和生成物水传输至收集流道；同时使得未发生反应的气体得到多次循环传输利用，使仿生多级分叉流场内部不存在反应气体未到达的地方，提高燃料电池的反应气体的利用率；流道单元网的多级分叉结构能够梯度定向地将生成物水排到收集流
道，这种结构的排水机制显著改善燃料电池的排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性；
24.3)由于收集流道在沿气体传输方向上的长度和宽度呈梯度增加，并且宽度随着靠近出口的距离减小而增大，从而避免靠近出口过大的传质任务的流道出现堵塞现象，使得从各不同级流道单元和各分配流道传输汇集过来的反应气体和生成物水及时呈梯度从左出口和右出口排出。
25.本发明的优点：
26.本发明的双极板仿生多级分叉流场包括中分配流道、上分配流道、下收集流道和左右两侧对称设置的收集流道；分配流道和收集流道在沿气体传输方向上流道的宽度和长度分别呈梯度降低或增加，中分配流道的等级数与左右两侧收集流道的等级数相等，通过梯度改变流道的宽度进而改变流道的截面积，控制流道在任何位置都能传输同等流量的反应气体，保证距离进口位置较远的分配流道同样能够获得较大的反应气体流速，使得反应气体定向传输的同时提升仿生多级分叉流场的传质效率，促进反应气体均匀分布；收集流道承担汇集未发生反应的气体和生成物水的双重任务，收集流道宽度随着靠近出口的距离减小而增大，在低压降的同时能够保证出口附近较大流速，避免靠近出口过大的传质任务的收集流道出现堵塞现象，使得生成物水及时呈梯度排出；分配流道和收集流道之间分布有左右两侧相互对称的两级流道单元，一级父流道贯通于分配流道和收集流道，这缩短了仿生多级分叉流场从进口到出口的传输路径，显著降低燃料电池的压降和泵送功率，使得反应生成的水快速排出；一级父流道之间通过其子流道交错连接着二级流道单元，并且二级流道单元的子流道又连通回至为一级父流道，同时一级流道单元未反应的气体再次进入二级父流道，使未发生反应气体得到多次循环传输利用，使仿生多级分叉流场内部不存在反应气体未到达的地方，提高反应气体的利用率，同时梯度定向多级交错的流道单元结构排列能够加速反应生成水的排出；上述机制改变了仿生多级分叉流场内部气体和水传输机制，定向均匀分布反应气体，两级流道单元结构交错循环传质、排水，降低压降、泵送功率的同时提升传质效率，改善燃料电池的水管理，最终提升燃料电池的性能与稳定性。
附图说明
27.图1为本发明的仿生多级分叉流场的燃料电池双极板的一个实施例的正视图；
28.图2为本发明的仿生多级分叉流场的燃料电池双极板的一个实施例的二级流道单元的示意图；
29.图3为本发明的仿生多级分叉流场的燃料电池双极板的一个实施例的流道的宽度和长度的示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
31.如图1所示，本实施例的仿生多级分叉流场的燃料电池双极板包括：双极板主体、进口1、中分配流道2、左上分配流道31、右上分配流道32、左侧收集流道41、右侧收集流道42、左下收集流道51、右下收集流道52、流道单元、左出口61和右出口62；其中，双极板主体为平面板，在双极板主体的前表面的顶部中心刻有进口1，在双极板主体的前表面中心沿竖
直方向上刻有与进口1连通的中分配流道2，中分配流道2沿气流传输方向即从上至下分为四个等级，且每个等级的长度和宽度沿气流传输方向即从上至下呈梯度降低；在双极板主体的前表面的顶部沿水平方向上刻有与进口1连通且分别位于进口1两侧的左上分配流道31和右上分配流道32，左上分配流道31和右上分配流道32关于竖直中心线a-a’对称分布，左上分配流道31和右上分配流道32沿气流传输方向上分为两个等级，且每个等级的长度和宽度沿气流传输方向即从中间至两侧呈梯度降低；在双极板主体的前表面的两侧沿竖直方向上分别刻有左侧收集流道41和右侧收集流道42，左侧收集流道41和右侧收集流道42关于竖直中心线对称分布，左侧收集流道41和右侧收集流道42沿气流传输方向即从上至下与中分配流道2一致分为四个等级，且每个等级的长度和宽度沿气流传输方向即从上至下呈梯度增加；在双极板的前表面的底部沿水平方向上刻有与中分配流道2连通且分别位于中分配流道2两侧的左下收集流道51和右下收集流，左下收集流道51和右下收集流道52关于竖直中心线对称分布，并且分别与左侧收集流道41和右侧收集流道42连通，左下收集流道51和右下收集流道52沿气流传输方向即从中间至两侧分为三个等级，且每个等级的长度和宽度沿气流传输方向即从中间至两侧呈梯度增加；左侧收集流道41与左下收集流道51的汇集处以及右侧收集流道42与右下收集流道52的汇集处分别刻有左出口61和右出口62，左出口61和右出口62关于竖直中心线对称分布；
32.中分配流道2、左上分配流道31和右上分配流道32统称为分配流道，左侧收集流道41、右侧收集流道42、左下收集流道51和右下收集流道52统称为收集流道；分配流道与收集流道之间围成的区域内刻有连通的流道单元；流道单元依据自相似且仿射规律分布，从而流道单元与分配流道和收集流道形成仿生多级分叉流场；流道单元关于竖直中心线对称分布，流道单元包括一级流道单元和二级流道单元；其中，
33.一级流道单元包括一级父流道71、一级水平子流道72和一级竖直子流道73；在分配流道与收集流道之间刻有连通分配流道与收集流道的多条互相平行的一级父流道71，即左上分配流道31与左侧收集流道41之间、中分配流道2与左侧收集流道41之间、中分配流道2与左下收集流道51之间、右上分配流道32与右侧收集流道42之间、中分配流道2与右侧收集流道42之间以及中分配流道2与右下收集流道52之间刻有多条互相平行的一级父流道71，一级父流道71与竖直中心线具有锐角的夹角，相邻的一级父流道71之间的距离相等；在一级父流道71的上边缘刻有多条沿水平方向的一级水平子流道72，相邻的一级水平子流道72之间的距离相等；在一级父流道71的下边缘刻有沿竖直方向的一级竖直子流道73，相邻的一级竖直子流道73之间的距离相等；
34.二级流道单元包括二级父流道81、二级水平子流道82和二级竖直子流道83；一级竖直子流道73的末端连通二级父流道81，并且位于左上分配流道31与左侧收集流道41之间以及右上分配流道32与右侧收集流道42之间的一级父流道71的一级水平子流道72的末端连通有二级父流道81，二级父流道81平行于一级父流道71；二级父流道81的末端分别连通二级水平子流道82和二级竖直子流道83；二级水平子流道82沿水平方向，二级竖直子流道83沿竖直方向；二级水平子流道82的末端连通至沿气流传输方向的下一条一级竖直子流道73，二级竖直子流道83的末端连通至沿气流传输方向的下一条一级父流道71；一级水平子流道72的末端连通至沿气流传输方向的下一个二级竖直子流道83；二级水平子流道82与二级父流道81之间的夹角为β2，二级竖直子流道83与二级父流道81之间的夹角为β1，β1 β2＝
90
°
，如图2所示。
35.一级水平子流道72、一级竖直子流道73、二级父流道81、二级水平子流道82和二级竖直子流道83沿气流传输方向的末端连通至左侧收集流道41、右侧收集流道42、左下收集流道51或右下收集流道52。
36.如图3所示，中分配流道2中四个等级的宽度分别为wz1、wz2、wz3和wz4，满足：wz1＝1.23wz4，wz2＝1.22wz4，wz3＝1.2wz4；中分配流道2的各等级的长度满足l
z1
、lz2、lz3和lz4，满足：lz1＝1.23lz4，lz2＝1.22lz4，lz3＝1.2lz4。
37.左和右上分配流道31和32的两个等级的宽度分别为w
s1
和w
s2
，满足w
s1
＝1.2w
s2
，左和右上分配流道31和32中两个等级的长度满足l
s1
和l
s2
，满足：l
s1
＝1.2l
s2
。
38.左和右侧收集流道41和42的四个等级流道的分别为w
b1
、w
b2
、w
b3
和w
b4
，满足：wz1＝0.83w
b4
，w
b2
＝0.82w
b4
，w
b3
＝0.8w
b4
；左和右侧收集流道41和42的长度满足l
b1
、l
b2
、l
b3
和l
b4
，满足：l
b1
＝0.83l
b4
，l
b2
＝0.82l
b4
，lz3＝0.8l
b4
。
39.左和右下收集流道51和52的各等级的宽度满足w
x1
、w
x2
和w
x3
，满足：w
x1
＝0.82w
x3
，w
b2
＝0.8w
x3
；左和右下收集流道51和52的长度满足l
x1
、l
x2
和l
x3
，满足：l
x1
＝0.82l
x3
，l
b2
＝0.8l
x3
。
40.一级父流道71与竖直中心线的夹角α＝60
°
；一级父流道71与二级父流道81的宽度满足w
f1
＝1.2w
f2
，w
f1
为一级父流道71的宽度，w
f2
为二级父流道81的宽度；一级父流道与一级竖直和水平子流道的宽度关系满足w
f1
＝1.63w
e1
，w
e1
为一级竖直和水平子流道的宽度，二级父流道与二级竖直和水平子流道的宽度关系满足w
f2
＝1.63w
e2
，w
e2
为二级竖直和水平子流道的宽度。
41.双极板主体的材料采用石墨，各流道的深度d均为1.5mm。
42.本实施例的仿生多级分叉流场的燃料电池双极板的实现方法，包括以下步骤：
43.1)燃料电池工作时，反应气体从进口1进入，通过左上分配流道31、右上分配流道32和中分配流道2将反应气体传输至流道单元网，由于左上分配流道31、右上分配流道32和中分配流道2在沿气体传输方向上的长度和宽度呈梯度降低，从而通过梯度改变流道的宽度进而改变流道的截面积，传输同等流量的反应气体，保证距离进口1位置较远的分配流道同样能够获得较大的反应气体流速，使得反应气体定向传输的同时提升仿生多级分叉流场的传质效率，同时与分配流道的各不同等级相连的各不同级流道单元的反应气体能够以相等流速进入整个仿生多级分叉流场进行反应气体传输，促进反应气体均匀分布，进而使反应气体均匀快速的进入催化层进行电化学反应，电化学反应产生生成物水；
44.2)从分配流道传输至流道单元网的反应气体，首先进入一级父流道71，一级流道连通分配流道和收集流道，利用一级父流道71贯通直达式结构特点将反应气体和生成物水直接传输至收集流道，进行第一梯度定向传输，从而缩短了仿生多级分叉流场从进口1到出口的传输路径，显著降低燃料电池的压降和泵送功率，使得反应生成的水快速排出；一级水平和竖直子流道等距分布在一级父流道71上，利用反应气体在水平和竖直方向上的分力，传输反应气体和生成物水到收集流道，进行第二梯度定向传输；每条一级竖直子流道73的末端为二级流道单元的入口，一级水平子流道72和一级竖直子流道73的未反应的气体再次进入二级父流道81，对竖直方向的一级竖直子流道73传输过来的反应气体和生成物水，进行第三梯度定向传输；分别处于竖直和水平方向的二级竖直子流道83和二级水平子流道
82，再次利用反应气体在水平和竖直方向上的分力，传输反应气体和生成物水，进行第四梯度定向传输；并且二级流道单元的二级水平子流道82和二级竖直子流道83又连接回至一级流道单元，最终利用多次定向引导循环方式将反应气体和生成物水传输至收集流道；同时使得未发生反应的气体得到多次循环传输利用，使仿生多级分叉流场内部不存在反应气体未到达的地方，提高燃料电池的反应气体的利用率；流道单元网的多级分叉结构能够梯度定向地将生成物水排到收集流道，这种结构的排水机制显著改善燃料电池的排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性；
45.3)由于收集流道在沿气体传输方向上的长度和宽度呈梯度增加，并且宽度随着靠近出口的距离减小而增大，从而避免靠近出口过大的传质任务的流道出现堵塞现象，使得从各不同级流道单元和各分配流道传输汇集过来的反应气体和生成物水及时呈梯度从左出口61和右出口62排出。
46.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。