[发明专利]一种仿肺多层结构燃料电池双极板及其实现方法

权利要求书

1.一种仿肺多层结构燃料电池双极板，其特征在于，所述仿肺多层结构燃料电池双极板包括：多层气体分布层、定向吹气层和导流排水层；其中，多层气体分布层的前表面设置定向吹气层；定向吹气层的前表面设置导流排水层；多层气体分布层为基于肺部支气管的宏观二分网络结构，包括N层气体分布层，N≥2，第i层气体分布层包括4^i-1个i级传气单元，i＝1,…,N；每一个传气单元包括一个母传气通道、两个次传气通道和四个垂直联通通道，均为中空的管道，母传气通道和两个次传气通道在同一个平面内，并且所在的平面平行于导流排水层；两个对称的次传气通道互相平行分布在母传气通道的两侧，母传气通道垂直于两个次传气通道，在母传气通道上壁的中心设置有进气口，母传气通道的两端分别为出气孔，分别连通至两个次传气通道侧壁的中心的进气口，次传气通道的两端分别为出气孔，连通至垂直联通通道，垂直联通通道垂直于母传气通道和两个次传气通道所在的平面，每一个垂直联通通道的末端连接至下一级母传气通道的进气口；N级传气单元的垂直联通通道的末端连通至对应的定向吹气层的每一个定向吹气孔；定向吹气层包括平板和定向吹气孔阵列，在平板内开设多个周期分布的定向吹气孔，构成二维分布的定向吹气孔阵列，每一个定向吹气孔沿着气体的流向具有向下的倾斜角θ，θ满足60°≤θ≤85°，定向吹气孔的水平横截面形状为正方形，定向吹气孔的宽度等于导流排水层的矩形状流道的宽度，并且相邻的两列定向吹气孔之间的距离等于流场流道脊的宽度；导流排水层包括流道板主体、通气孔、矩形状流道、排水通道和出水口，流道板主体朝向气体扩散层的表面刻有多条周期性沿竖直方向平行排布的矩形状流道，每一条矩形状流道所在的位置正对定向吹气孔阵列中的一列；每相邻的矩形状流道之间形成流场流道脊，流道板主体朝向气体扩散层的表面的底端设置连通每一条矩形状流道的排水通道，排水通道的下表面沿着排水方向具有向下的倾斜角β，β满足0.5°≤β≤3°，形成一个倾斜面，从而排水通道为梯形，排水通道的末端设置有出水口；在矩形状流道上设有贯通的通气孔，每一个通气孔与定向吹气层的一个定向吹气孔相对应；反应气体在泵气压力的作用下经一级传气单元的母传气通道中心的进气口输进入第一层气体分布层，经一级传气单元的母传气通道扩散至两个次传气通道，进行有效定向传输，经垂直联通通道将反应气体传输进四个二级传气单元，以一点向四点发散，有效增大了传气面积；反应气体依次经过各层气体分布层，直至经N级传气单元的每一个垂直联通通道的末端传输至每一个定向吹气孔；反应气体经多级传气单元逐级分配，在均匀反应气体分布的同时，最大面积的将反应气体传输至定向吹气层，缓冲较强的泵气压力对质子交换膜的损害，增强传质均匀性，延长电池使用寿命；反应气体在定向吹气孔的作用下，将垂直于气体扩散层的泵气压力进行分解，使其分解为垂直于气体扩散层的传质分力Fy和平行于气体扩散层的排水分力Fx，平衡传质分力和排水分力，传质分力Fy将反应气体经导流排水层上的通气孔，压进气体扩散层参与电池电化学反应，排水分力Fx吹扫反应产生堆积在矩形状流道的水，将反应产生堆积在矩形状通道的水排出，协同电池内部压差优化电池传质和水管理能力；电池反应过程产生的水，在排水分力的作用下，经矩形状流道汇集至排水通道，沿着排水通道向下的倾斜角汇集滑动至出水通道末端的出水口排出，促进堆积在底部的水排出流道，在排水分力和电池内部压力差作用下，协同排水，增强排水能力，避免电池内部产生水淹现象。

2.如权利要求1所述的仿肺多层结构燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板采用3D打印技术制备，打印材料为不锈钢。

3.如权利要求1所述的仿肺多层结构燃料电池双极板，其特征在于，所述每一个传气单元的母传气通道、两个次传气通道和四个垂直联通通道均为横截面积为正方形的方形流道，边长为1.00mm～3.00mm；一级传气单元的母传气通道的长度为17.00mm～20.00mm，次传气通道的长度为16.00mm～19.00mm，垂直联通通道的长度为1.00mm～3.00mm。

4.如权利要求1所述的仿肺多层结构燃料电池双极板，其特征在于，所述定向吹气孔的截面积为正方形，边长1.00mm～3.00mm，垂直的高度为0.5mm～1.5mm。