一种质子交换膜燃料电池的仿生水滴型气体流道系统

本发明属于质子交换膜燃料电池，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池的仿生水滴型气体流道系统及应用。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种高效、清洁的能源转换设备，具有功率密度高、便携、零污染等优点。质子交换膜燃料电池的主要部件包括双极板、集流板、膜电极(气体扩散层、催化层、质子交换膜)，其中双极板作为pemfc的关键部件之一，起到电子传导、结构支撑、提供反应气体通道以及排除反应生成的水等重要功能，对电池的性能和稳定性起着关键作用。双极板的流场结构是影响燃料电池性能的关键因素，主要体现在均匀分布反应气体、排除反应产物、提高燃料利用率以及减小压力损失等方面，合理的流道设计对提高电池性能和稳定性具有重要影响。

2、传统流场设计(平行流场和蛇形流场)大多依赖于流场结构的经验变化，如流道长度、肋片宽度、肋片/流道宽度比等。常规流场设计的研究和优化有明显缺点，平行流场存在流动分布不均问题，易导致工作区域缺氧，影响电池反应效率；蛇形流场虽然具备相对均匀的流动分布，但过长的流道增大了压降，产生附加的机械应力和更大的寄生功率，极大的限制了电池的输出性能。

3、自然界中有多种高效、符合热力学和流体力学规律的生物结构，如叶脉结构、树形结构、肺片结构等，将仿生学应用于气体流道设计是质子交换膜燃料电池优化的一个新型重要方向，但常见仿生型流道由于结构复杂大大增加了生产加工难度。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

5、“工作区域缺氧”问题：在常规平行流场中容易发生气体燃料流动分布不均匀的问题，造成局部氧气浓度低，引起工作区域的缺氧，导致电化学反应不充分，使燃料电池输出功率降低。

6、“压降过高”问题：过长的气体流道比如蛇形流场中，流道进出口压差较大，过大的压降会产生附加机械应力和更大的寄生功率，增大气体流动损失。

7、“水淹”效应：燃料电池中电化学反应产生的水若不能及时排除，在气体流道中积聚会阻碍气体的传输和扩散，导致燃料电池性能降低。

8、仿生型流道复杂难以应用：常见仿生型流道如叶型、肺型、树型等结构复杂，实际应用困难。

9、综上所述，现有技术在质子交换膜燃料电池流场优化设计方面存在的主要问题是“工作区域缺氧”、“压降过高”和“水淹”效应，以及复杂结构造成的加工困难。为了解决这些问题，在应用仿生型气体流道结构的同时对仿生型结构进行进一步优化，提升燃料电池性能并降低加工难度。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的仿生水滴型气体流道系统及应用。

2、本发明是这样实现的，一种质子交换膜燃料电池的仿生水滴型气体流道系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池的气体流道系统包括：

3、燃料电池阴阳极气体流道以及由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成的膜电极组件。所述仿生水滴型气体流道与气体扩散层和双极板相接的上下表面呈水平状，侧面为若干个仿生水滴型的波形单元组成的周期结构。完整水滴型曲线的参数为

4、在实际生产中，考虑到生产加工的可行性，将仿生水滴型气体流道简化为组合线段，称作简化水滴型曲线。简化水滴型流道侧面将仿生水滴型波形单元替换为简化水滴型波形单元，同样是周期结构分布。仿生水滴型和简化水滴型气体流道有以下加工方式：双极板流场整体锻造成型；在双极板上冲压成型；通过3d打印方式定制流道形状等。

5、进一步，所述仿生水滴型气体流道结构形成于双极板和气体扩散层之间。

6、进一步，所述气体流道为流场的单元，流场中均匀分布若干条气体流道。

7、进一步，所述仿生水滴型波形单元在流道上沿气体流动方向均匀分布。

8、进一步，所述波形单元为对称分布的两条仿生水滴型曲线，对称线为垂直于气体流动方向的流道截面中线。

9、进一步，所述简化水滴型曲线包括一条斜线，一条直线，和四分之一圆弧。

10、进一步，所述简化水滴型曲线在气体流动方向的长度等于仿生水滴型曲线。

11、进一步，所述简化水滴型曲线中直线部分长度等于圆弧半径。

12、本发明的另一目的在于提供一种包含所述仿生水滴型气体流道系统的质子交换膜燃料电池。

13、本发明的另一目的在于提供一种包含所述质子交换膜燃料电池的动力系统。

14、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

15、第一，本发明基于自然界中的水滴型结构对质子交换膜燃料电池进行仿生型流道优化设计，并进一步简化仿生型流道。仿生型流道模仿自然界中生物结构的流动特性，水滴流线形状可以显著减少气体流动阻力，降低流道内的压降；流道截面宽度规律变化有助于增强传质过程，提高电化学反应的效率。整体有效提高质子交换膜燃料电池输出性能。

16、本发明通过质子交换膜燃料电池气体流道优化有效改善扩散极化区的缺氧问题，并降低流道压降，减小气体流动损失，同时缓解燃料电池内部的水淹问题，综合提升质子交换膜燃料电池的输出性能。此外，相比于传统的复杂仿生型流道结构，本发明对于仿生型流道的进一步简化，降低了生产加工难度，便于实际应用。

17、第二，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

18、我国关于质子交换膜燃料电池(pemfc)的研究发展尚在起步阶段，气体流道结构优化设计是改善pemfc水热管理、提高燃料电池输出性能的重要手段。本发明通过改进燃料电池的气体流道结构，改善了燃料电池反应区域的缺氧问题，提高了电池的输出功率和能效，优化后的燃料电池综合性能提升；此外对于仿生流道的进一步简化可以降低加工难度，有利于广泛应用。

19、第三，本发明针对质子交换膜燃料电池的气体流道设计，提出了一种仿生水滴型气体流道系统。该系统通过模拟自然界水滴的形态，设计出具有仿生水滴型波形单元的气体流道，这些波形单元在流道侧面以周期结构分布，其上下表面保持水平。这种设计不仅提高了气体在流道中的分布均匀性，还有效地促进了气体的流动和混合，从而提高了燃料电池的性能。

20、此仿生水滴型气体流道结构巧妙地形成于双极板和气体扩散层之间，这一创新布局确保了气体在流道内的有效传输，并减少了气体在传输过程中的损失。此外，该流道系统作为流场的单元，流场中均匀分布了若干条这样的气体流道，进一步增强了燃料电池的整体性能。

21、仿生水滴型波形单元在流道上沿气体流动方向均匀分布，且这些波形单元以对称分布的两条仿生水滴型曲线组成，对称线垂直于气体流动方向的流道截面中线。这种对称设计不仅确保了气体流动的稳定性，还优化了流道内的流场分布。

22、为了简化制造过程并降低成本，本发明还将仿生水滴型气体流道简化为组合线段，即简化水滴型曲线。这一简化设计包括一条斜线、一条直线和四分之一圆弧，并且这些简化曲线在气体流动方向的长度等于仿生水滴型曲线。此外，简化水滴型曲线中直线部分的长度等于圆弧半径，这一设计确保了简化后的流道在功能上与原仿生水滴型流道相近，但在制造上更为便捷和经济。通过这一创新设计，本发明在质子交换膜燃料电池的气体流道系统上取得了显著的技术进步。