CN104681824B - 甲醇燃料电池阳极流场板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种甲醇燃料电池阳极流场板，它的流道包括一级流道、二级流道和三级流道，二级流道与一级流道，三级流道与二级流道直径比例均为0.7~0.8；一级流道包括外部流道和中间流道，中间流道沿外部流道的中心线设置，进料口连接连接中间流道的前端，出料口连接外部流道的末端；若干条二级流道对称地设置在中间流道两侧并与外部流道和中间流道连接；靠近出料口的三级流道的一端连接二级流道，另一端连接外部流道，其余的三级流道连接同侧相邻的二级流道。本发明所述的三级流道呈现树叶形分形结构，遵循了自然界中叶脉结构的存在规律，有利于充分利用流场板结构的空间，有利于提高燃料利用率，具有高度弹性和较高的结构强度，且占用体积小。

Description

甲醇燃料电池阳极流场板
技术领域
本发明涉及一种甲醇燃料电池阳极流场结构。
背景技术
直接甲醇燃料电池以液态甲醇为燃料，具有燃料便于携带和储存、比能量密度高和比功率密度高的特点，被公认为未来小型便携式可移动电源的最佳候选者之一。流场板是燃料电池的重要组成部分，其结构设计是否合理，不仅关系到燃料浓度分布是否均匀，燃料的传质和扩散是否充分，而且一定程度上决定了电池的输出性能的优劣。
动物的呼吸系统、血液循环系统，植物内部的养分传输系统均有类似的输运微管系统，经过数亿年的进化，生物的这些微管系统成为了自然优化的强化换能或传质的网络流道结构，具有物质和能量交换效率高，自身能耗少的特点。这些输运微管系统都呈现树状分形结构，具有较为突出的随机性和相似性特征，其宏观构造具有高度弹性，同时在横向拉压作用下不易破坏，具有较高的结构强度。
发明内容
本发明为了解决现有甲醇燃料电池的燃料利用率低，体积大的问题，提供一种甲醇燃料电池阳极流场板。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种甲醇燃料电池阳极流场板，包括基板，基板上刻有流道，流道的两端分别设有进料口和出料口，所述的流道包括一级流道、二级流道和三级流道，二级流道与一级流道，三级流道与二级流道直径比例均为0.7~0.8；一级流道包括外部流道和中间流道，中间流道沿外部流道的中心线设置，进料口连接中间流道的前端，出料口连接外部流道的末端；若干条二级流道对称地设置在中间流道两侧并与外部流道和中间流道连接；靠近出料口的三级流道的一端连接二级流道，另一端连接外部流道，其余的三级流道连接同侧相邻的二级流道。
本发明所述的三级流道呈现树叶形分形结构，遵循了自然界中叶脉结构的存在规律，有利于充分利用流场板结构的空间，有利于提高燃料利用率。这种流场板结构具有分形结构特点，构成的宏观构造具有高度弹性，同时在横向拉压作用下不易破坏，具有较高的结构强度。
作为一种优选的技术方案，最前端的二级流道与中间流道垂直，其外端连接外部流道的端部，其余二级流道向两侧及出料口方向偏移，与中间流道的夹角（α）为30°~60°。
作为一种优选的技术方案，所述的三级流道向两侧及出料口偏移，与二级流道的偏移角（β）为15°~45°，
作为一种优选的技术方案，所述基板采用硅、SU-8、PDMS或不锈钢加工成型。
作为一种优选的技术方案，所述流道的深度为100~200µm。
作为一种优选的技术方案，所述出料口、进料口尺寸为1x1mm，便于连接外部设备。
作为一种优选的技术方案，所述的外部流道是一个半椭圆结构，出料口设置在该半椭圆结构的顶部。
自然界中树叶、河流、人体的呼吸循环系统等各种结构是经过自然长期考验并且最终筛选出的优势方案，其结构设计是最优的或者接近最优的，均呈现树叶状分形结构，本发明根据树叶状分形结构较为突出的随机性和相似性，设计了一种甲醇燃料电池仿生树叶型阳极流场板结构。具有以下优点：1、甲醇燃料电池仿生树叶型阳极流场结构有利于降低反应物输运压力，提高燃料的扩散与传质； 2、甲醇燃料电池仿生树叶型阳极流场结构有利于降低输运反应物所需的外加功耗；3、甲醇燃料电池仿生树叶型阳极流场结构为微米结构，占用体积小； 4、甲醇燃料电池仿生树叶型阳极流场结构采用MEMS技术制造，有利于提高甲醇燃料电池的结构强度；5、甲醇燃料电池仿生树叶型阳极流场结构的模块化设计有利于产品的批量生产。
附图说明
图1是本发明甲醇燃料电池阳极流场板的结构示意图。
图中，1-进料口，2-出料口，3-一级流道，301-外部流道，302-中间流道，4-二级流道，5-三级流道。
具体实施方式
实施例1
采用已公开的MEMS技术，在硅基结构上刻蚀出深度为100µm的阳极流场板流道。根据自然界中树叶的叶脉结构，设计了3个级别的流道，一级流道3直径为200µm，二级流道4直径为160µm，三级流道5直径为120µm。
一级流道包括外部流道301和中间流道302，中间流道302沿外部流道301的中心线设置，进料口1连接连接中间流道302的前端。外部流道301是一个半椭圆结构，出料口2设置在该半椭圆结构的顶部。进料口1、出料口2尺寸为1x1mm。
若干条直线型二级流道4对称地设置在中间流道302两侧并与外部流道301和中间流道302连接，最前端的二级流道4与中间流道302垂直，其外端连接外部流道301的端部，其余二级流道4向两侧及出料口方向偏移，与中间流道302的夹角（α）为30°~60°。
三级流道为直线型或弧形，靠近出料口2的三级流道5的一端连接二级流道4，另一端连接外部流道301，其余三级流道连接同侧相邻的二级流道4，三级流道5向两侧及出料口偏移，与二级流道4的偏移角（β）为15°~45°。
实施例2
与实施例1的区别在于采用SU-8作为流场板材料，在该材料的基板上刻蚀出深度为200µm的阳极流场板流道。一级流道直径为200µm，二级流道4直径为140µm，三级流道5直径为98µm。
实施例3
与实施例1的区别在于采用PDMS胶作为流场板材料，在该材料的基板上刻蚀出深度为150µm的阳极流场板流道。一级流道直径为200µm，二级流道4直径为160µm，三级流道5直径为128µm。
实施例4
与实施例1的区别在于采用不锈钢作为流场板材料，在该材料的基板上刻蚀出深度为180µm的阳极流场板流道。一级流道直径为200µm，二级流道4直径为160µm，三级流道5直径为112µm。
实施例5
与实施例1的区别在于硅基结构上刻蚀出深度为200µm的阳极流场板流道。一级流道直径为200µm，二级流道4直径为140µm，三级流道5直径为112µm。

Claims (3)

1.一种甲醇燃料电池阳极流场板，包括基板，基板上刻有流道，流道的两端分别设有进料口（1）和出料口（2），其特征在于：所述的流道包括一级流道（3）、二级流道（4）和三级流道（5），二级流道（4）与一级流道，三级流道（5）与二级流道（4）直径比例均为0.7~0.8；一级流道（3）包括外部流道（301）和中间流道（302），中间流道（302）沿外部流道（301）的中心线设置，进料口（1）连接中间流道（302）的前端，出料口（2）连接外部流道（301）的末端；若干条二级流道（4）对称地设置在中间流道（302）两侧并与外部流道（301）和中间流道（302）连接；靠近出料口（2）的三级流道（5）的一端连接二级流道（4），另一端连接外部流道（301），其余的三级流道（5）连接同侧相邻的二级流道（4）；
最前端的二级流道（4）与中间流道（302）垂直，其外端连接外部流道（301）的端部，其余二级流道（4）向两侧及出料口方向偏移，与中间流道（302）的夹角（α）为30°~60°；
所述的三级流道（5）向两侧及出料口偏移，与二级流道（4）的偏移角（β）为15°~45°；
所述流道的深度为100~200µm；
所述的外部流道（301）是一个半椭圆结构，出料口（2）设置在该半椭圆结构的顶部。
2.根据权利要求1所述的甲醇燃料电池阳极流场板，其特征在于：所述基板采用硅、SU-8、PDMS或不锈钢加工成型。
3.根据权利要求2所述的甲醇燃料电池阳极流场板，其特征在于：所述进料口（1）、出料口（2）尺寸为1x1mm。
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