[发明专利]一种仿雷电分级式燃料电池双极板流道场结构及其检测方法

说明书

本发明公开了一种仿雷电分级式燃料电池双极板流道场结构及其检测方法，结构包括：反应气体进口、反应气体出口、进气流道场和出气流道场；方法包括如下步骤：步骤1、设计仿雷电分级式燃料电池双极板流道场结构；步骤2、建立仿雷电分级式燃料电池双极板及质子交换膜燃料电池的三维几何模型；步骤3、对仿雷电分级式燃料电池的几何模型进行网格划分；步骤4、对仿雷电分级式燃料电池及双极板流场性能进行模拟；步骤5、提取仿雷电分级式燃料电池及双极板流场性能数据，基于性能模拟数据对不同双极板流道场结构进行分析。本发明能够解决燃料电池工作效率低、双极板中水分难以排出等问题。

技术领域

本发明涉及仿生结构工程技术领域，尤其是一种仿雷电分级式燃料电池双极板流道场结构及其检测方法。

背景技术

随着人类科学技术与文明的发展，人们的生活变得便利，但同时导致人们对能源的需求越来越大，这为人类带来不可调和的矛盾，主要体现在两方面：一、化石燃料如石油、煤炭、天然气作为目前能源的主要来源具有不可再生的特质，这与人类对能源的需求日增以及社会长远发展的理念相悖；二、因化石燃料而引发的环境问题日益严峻，严重危害着人类的生存环境。氢能作为可存储废弃能源并推动传统化石能源向绿色能源转变的清洁能源，其能量密度(140MJ/kg)是石油的3倍、煤炭的4.5倍，被视为未来能源革命的颠覆性技术。质子交换膜燃料电池是一种无需经过卡诺循环、直接将氢能转化为电能的装置，故质子交换膜燃料电池具有无污染、低噪声、能量转换效率高等优点。双极板作为燃料电池的关键部件，重量在燃料电池中占80％左右，其主要功能为支撑燃料电池组、传导电流以及通过流道场均匀分布反应气体等，双极板的表面流场结构影响反应气体在双极板的分布，并直接影响燃料电池的工作性能。

传统燃料电池双极板流场结构主要包括平行流道、蛇形流道、网状流道等形式。传统双极板流道场结构的主要特点为结构简单、成形性强，但简单的流场结构导致双极板内部出现传输受限、气体堵塞、水分难以及时排出等问题，最终导致双极板流场性能及燃料电池工作效率较低。因此高效、复杂的双极板流道场结构是获得高性能质子交换膜燃料电池的关键技术。

自然设计的结构是为了实现最优的能量解决方案，其在特征上合适、适应环境、自重轻、性能及功能最优。仿生的本质是学习天然结构的设计方法及材料布局。因此，通过仿生策略可按需实现新结构的设计或对已有工件进行优化。雷电是自然界中广泛存在的一种自然放电现象，产生雷电的条件是雷雨云中存在电荷积累，并产生极性，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主，云的上、下部之间形成电位差，当电荷聚集使电位差达到一定程度后，大量电荷便通过通道放电，形成闪电。这种电荷沿择优路径放电的方法对于仿生、物质传输等方向有很强的参考价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种仿雷电分级式燃料电池双极板流道场结构及其检测方法，能够解决燃料电池工作效率低、双极板中水分难以排出等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种仿雷电分级式燃料电池双极板流道场结构，包括：反应气体进口、反应气体出口、进气流道场和出气流道场；进气流道场包括进气主流道与进气支流道，出气流道场包括出气主流道与出气支流道，反应气体进口与进气主流道相连，反应气体出口与出气主流道相连，出气流道场分布在进气支流道的末端，呈镜像分布，出气支流道汇集延伸至出气口。

优选的，进气流道场根据自然雷电的分级特征及分布规律进行确定，其覆盖范围为90°夹角扇形区域。

优选的，进气流道场的流道由多段直流道构成，且多段直流道间的倾角在15°-45°，进气支流道相对于主流道的倾角在30°-90°。

优选的，出气流道场沿矩形对角线对称分布，出气流道由直流道构成，分布于矩形双极板边缘与进气支流道端部之间，且进气支流道的端部与同侧出气流道存在间隙。

优选的，进气流道场与出气流道场的截面形状均为矩形，高度为1mm，非分支位置的流道宽度为1mm，分支位置的流道宽度为1～2mm。