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

技术特征：
1.一种仿生多级分叉流场的燃料电池双极板，其特征在于，所述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；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，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；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；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；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。2.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述中分配流道的各等级的宽度满足wz
(n-1)
＝k
z
·
w
zn
，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，k
z
中分配流道的梯度宽度比，1.2≤k
z
≤1.5；中分配流道的各等级的长度满足l
z(n-1)
＝t
z
·
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，t
z
为中分配流道的梯度长度比，1.2≤t
z
≤1.5。3.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述左和右上分配流道的各等级的宽度满足w
s(m-1)
＝k
s
·
w
sm
，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，k
s
为左和右上分配流道的梯度宽度比，1.1≤k
s
≤1.6；左和右上分配流道的各等级的长度满足l
s(m-1)
＝t
s
·
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，t
s
为左和右上分配流道的梯度长度比，1.1≤t
s
≤1.6。4.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述左和右侧收集流道的各等级的宽度满足w
b(n-1)
＝k
b
·
w
bn
，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，k
b
为左和右侧收集流道的梯度宽度比，0.5≤k
b
≤0.9；左和右侧收集流道的长度满足l
b(n-1)
＝t
b
·
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，t
b
为左和右侧收集流道的梯度长度比，0.5＜t
b
≤0.9。5.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述左和右下收集流道的各等级的宽度满足w
x(k-1)
＝k
x
·
w
xk
，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。6.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述一级父流道与竖直中心线的夹角α满足45
°
≤α≤65
°
。7.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述一级父流道与二级父流道的宽度满足w
f1
＝k
f
·
w
f2
，w
f1
为一级父流道的宽度，w
f2
为二级父流道的宽度，k
f
为一级父流道与二级父流道的宽度比，1.0＜k
f
≤1.2；同级流道单元的父流道与子流道的宽度关系满足w
f
＝k
e
·
w
e
，w
f
为父流道的宽度，w
e
为子流道的宽度，k
e
同级流道单元的父流道与子流道的宽度比，1.0≤k
e
≤2.0。8.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板主体的材料采用石墨、钛、铌、铝、铜和不锈钢中的一种。9.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述各流道的深度相等，均为1.0mm～2.0mm。10.一种如权利要求1所述的仿生多级分叉流场的燃料电池双极板的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：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；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；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。

技术总结
本发明公开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。本发明采用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和呈梯度增加，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，同时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，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；同时使未发生反应气体得到多次循环传输利用，提高反应气体的利用率；本发明降低压降、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。燃料电池的性能与稳定性。燃料电池的性能与稳定性。


技术研发人员：卢国龙 樊文选 刘镇宁 王蜜 吴倩倩 赵韬韬
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2021.12.24
技术公布日：2022/4/1