CN110085886B - 一种仿生流场的燃料电池双极板及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生流场的燃料电池双极板及其方法。本发明采用在双极板主体前表面设有主流道和各副流道，并在上游域均设置有挡板，每个脊上对称的设置有微流场，上游域与下游域的微流场流向相反，微流场具有定向传质机制，即通过设置微流场的方向控制气体或水的流动；在上游域，也可使反应气体快速的进入气体扩散层参加反应；在下游域，定向导流体凸起的边缘会阻止反应生成的水反向流动，由于每个凹坑之间的梯度特征符合梯度泰勒毛细升理论，反应气体或反应生成的水被定向输送，汇集到主流道排出出气孔；本发明的定向的微流场形成定向传质机制，提升了排水效率，改善燃料电池的水管理，提高了传质效率，最终提升燃料电池的性能与稳定性。

Description

一种仿生流场的燃料电池双极板及其方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术，具体涉及一种仿生流场的燃料电池双极板及其方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是目前最具前景的清洁、高效、可靠的新能源之一，可以直接将燃料中的化学能转化为电能，不受卡诺循环的限制，发电效率可达到60％左右，反应排放物只有水，对环境没有污染。为满足实际工作电压，质子交换膜燃料电池需要将多个单电池堆叠在一起串并联组合成电堆，质子交换膜燃料电池单体结构主要包括双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜等，电池内部无机械传动装置，几乎没有噪音，并且低温快速运行，可应用于交通、军事、通讯等领域。

双极板又称流场板，是质子交换膜燃料电池的重要组成部件，主要功能包括均匀分配反应气体、实现阴阳两极电子传导、及时散热等，流场是加工在双极板上的沟槽，流场结构形式决定反应物与生成物水在流场内的流动状态，倘若不能及时将生成物水排出，将会出现电极的“水淹现象”，使得电池性能降低、寿命缩短，因此，可以通过优化双极板流场结构使燃料电池的反应物分布更均匀、生成物水更快排出，从而提升电池的性能、延长使用寿命。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种仿生流场的燃料电池双极板及其方法，仿玉米叶脉结构模型，设计双极板主流场，使反应物分布更均匀，提升传质效率，仿猪笼草瓶口结构模型，设计双极板微流场，使反应物、生成物定向流动，使反应物分布更均匀，并将电化学反应生成的水定向输送，优化电池内部水管理，提升传质、排水效率，从而提高电池的性能。

本发明的仿生流场的燃料电池双极板包括：双极板主体、主流道、脊、副流道、上分流流道、下合流流道、进气孔、出气孔、上游域微流场、下游域微流场和挡板；其中，双极板主体为平板；在双极板主体的前表面的竖直中心刻有沿竖直方向的主流道，主流道的表面平行于双极板主体的前表面；在双极板主体的前表面且位于主流道的两侧分别刻有多条沿竖直方向平行排布的副流道，副流道的宽度从竖直中心向两侧边逐渐递减，关于竖直中心呈对称分布，副流道的表面与主流道的表面位于同一个平面；相邻的副流道之间以及主流道与相邻的副流道之间形成脊，脊的宽度相等；在双极板主体的前表面，并且在各个脊的上端和下端，分别刻有连通主流道和各个副流道的上分流流道和下合流流道；在上分流流道的中心正对着主流道设置有进气孔，在与其相对的下合流流道的中心正对着主流道设置有出气孔；双极板的前表面以水平中心划分为上游域和下游域；在每一个脊上位于上游域的部分设置有n个上游域微流场，n为≥3的自然数，各个上游域微流场等间距排布形成一维上游域微流场阵列，上游域微流场的方向垂直于脊的方向，并且流向为从竖直中心至侧边，上游域微流场的表面与主流道的表面位于同一个平面；分布在各个脊上的一维上游域微流场阵列在脊上的竖直高度以n为周期呈周期性排布，在同一个周期内，一维上游域微流场阵列在脊上的竖直高度逐渐递减或递增；在位于上游域的主流道和每一个副流道上均设置有挡板，挡板位于一个外侧相邻的微流场的下边缘，并且挡板从主流道或副流道的底面向双极板主体的前表面具有向下倾斜；在每一个脊上位于下游域的部分设置有n个下游域微流场，n为≥3的自然数，各个下游域微流场等间距排布形成一维下游域微流场阵列，下游域微流场的方向垂直于脊的方向，并且流向为从侧边至竖直中心，下游域微流场的表面与主流道的表面位于同一个平面；分布在各个脊上的一维下游域微流场阵列在脊上的竖直高度以n为周期呈周期性排布，在同一个周期内，一维下游域微流场阵列在脊上的竖直高度逐渐递增或递减；上游域微流场的位置与下游域微流场的位置关于水平中心呈对称分布；主流道、副流道、上游域微流场和下游域微流场构成仿生流场；当燃料电池工作时，反应气体从进气孔进入，通过上分流流道将反应气体分配到主流道和各个副流道，由于从竖直中心到两侧边的副流道的横截面积逐渐减小，能够保证各流道内气体的流速不变；当反应气体在各流道的上游域时，上游域微流场会引导反应气体从竖直中心向两侧边定向传输，同时由于挡板挡住流道内的部分气体，加速反应气体通过微流场定向的向两侧边的副流道传输，从而使反应气体分布更均匀，并且当反应气体到各流道的挡板处时，由于挡板是向外倾斜的，使反应气体快速进入气体扩散层参加反应，从而提高传质效率；当反应气体进入下游域时，一部分反应气体通过主流道至出气孔，另一部分位于两侧边的副流道内的反应气体通过下游域微流场定向地向主流道传输，最终输送至出气孔；这种气体的传输方式，使反应气体均匀分布在仿生流场内，同时也提升了气体的传质效率；同时，反应生成的水从两侧的副流道通过下游域微流场定向地排向主流道，从而使反应生成的水快速的排出，反应气体或反应生成的水被定向输送，汇集到主流道排出出气孔，使流场两侧边缘处的水顺利排出，这种定向排水机制可大大提升排水效率，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。

每一个上游域微流场包括：微流道、定向导流体、分隔脊和凹坑；其中，流向为从上游域微流场的入口端至出口端，上游域微流场的入口端朝向竖直中心，出口端朝向侧边，即上游域微流场的流向为从竖直中心至侧边的方向；微流道垂直刻在脊上，穿透脊的两个相对的侧面，微流道的表面与主流道的表面位于同一个平面；微流道的表面中心线设置分隔脊将微流道分成两个对称的二级流道，分隔脊垂直于脊，分隔脊的高度小于脊的高度，分隔脊的高度沿上游域微流场的流向逐渐减小；在每一个二级流道上分别设置一排周期性排列的多个定向导流体，定向导流体的方向沿着流向方向，定向导流体的高度沿流向逐渐降低；相邻的定向导流体之间形成凹坑。每一个定向导流体的上表面和下表面为相互平行的平面，垂直于平行于双极板主体的前表面，上表面和下表面的形状均为倾斜的平行四边形，平行四边形的倾斜方向沿流向方向；前表面和后表面为相互平行的平面，平行于双极板主体的前表面，前表面和后表面的形状相同，但前表面的投影面与后表面的投影面相比沿流向方向向侧边平移；两个侧面为曲面，定向导流体沿与双极板主体的前表面的平行面的截面的形状均相同，截面的两个侧边为对称的弧形或抛物线，为椭圆、圆或抛物线的一部分，开口朝向竖直中心，顶点朝向侧边，入口端的侧边的曲率不小于出口端的侧边的曲率。定向导流体的宽度等于二级流道的宽度。

每一个下游域微流场包括：微流道、定向导流体、分隔脊和凹坑；其中，流向为从下游域微流场的入口端至出口端，上游域微流场的入口端朝向侧边，出口端朝向竖直中心，即下游域微流场的流向为从侧边至竖直中心的方向；微流道垂直刻在脊上，穿透脊的两个相对的侧面，微流道的表面与主流道的表面位于同一个平面；微流道的表面中心线设置分隔脊将微流道分成两个对称的二级流道，分隔脊垂直于脊，分隔脊的高度小于脊的高度，分隔脊的高度沿微流场的流向逐渐减小；在每一个二级流道上分别设置一排周期性排列的多个定向导流体，定向导流体的方向沿着流向方向，定向导流体的高度沿流向逐渐降低，相邻的定向导流体之间形成凹坑。每一个定向导流体的上表面和下表面为相互平行的平面，与微流道的上侧壁和下侧壁相切，垂直于平行于双极板主体的前表面，上表面和下表面的形状均为倾斜的平行四边形，平行四边形的倾斜方向沿流向方向；前表面和后表面为相互平行的平面，平行于双极板主体的前表面，前表面和后表面的形状相同，但前表面的投影面与后表面的投影面相比沿流向方向向竖直中心平移；定向导流体沿与双极板主体的前表面的平行面的截面的形状均相同，两个侧面为曲面，截面的两个侧边为对称的弧形或抛物线的一部分，弧形为椭圆或圆的一部分，弧形或抛物线的开口朝向侧边，弧形或抛物线的顶点朝向竖直中心，入口端的侧边的曲率不小于出口端的侧边的曲率。定向导流体的宽度等于二级流道的宽度。

当燃料电池工作时，反应气体从进气孔进入，发生电化学反应，电化学反应生成水，反应气体或反应生成的水首先在定向导流体处汇聚，填充凹坑，定向导流体凸出的边缘会阻止反应气体或反应生成的水反向流动，由于每个凹坑之间的梯度特征符合梯度泰勒毛细升理论，反应气体或反应生成的水被定向输送，汇集到主流道排出出气孔，可使流场两侧边缘处的水顺利排出，这种定向排水机制可大大提升排水效率，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。

上游域微流场和上游域微流场的宽度t与脊的宽度d满足

平行四边形的倾斜角α为15°～30°，在一个二级流道内相邻每两个定向导流体的高度所形成的梯度角为3°～6°。

上游域微流场间隔相等，间隔为3mm～4mm，定向导流体的之间的间隔宽度相等，即每个凹坑的宽度相等。

双极板主体的材料采用石墨、钛、铌、铝、铜和不锈钢中的一种。

主流道的宽度为2mm～3mm，脊的宽度为1mm～2mm，高度为1mm～2mm。

副流道的宽度从主流道至两侧边按等差数列规律递减，公差为0.1mm～0.3mm。

挡板与主流道或副流道的表面的倾斜角β为50°～70°，挡板两侧与脊相切，垂直高度D 为脊的高度H₁的

厚度C为0.5mm～0.8mm。

分隔脊的高度在微流场入口端与第一个定向导流体的高度相等，随后依次递减。

二级流道的宽度w与分隔脊的宽度E满足

定向导流体截面的入口端的侧边的曲率ρ₁不小于出口端的侧边的曲率ρ₂，即ρ₁≥ρ₂。

本发明的另一个目的在于提出一种仿生流场的燃料电池双极板的气体输送和排水方法。

本发明的仿生流场的燃料电池双极板的气体输送和排水方法，包括以下步骤：

1)当燃料电池工作时，反应气体从进气孔进入，通过上分流流道将反应气体分配到主流道和各个副流道，由于从竖直中心到两侧边的副流道的横截面积逐渐减小，能够保证各流道内气体的流速不变；

2)当反应气体在各流道的上游域时，上游域微流场会引导反应气体从竖直中心向两侧边定向传输，同时由于挡板挡住流道内的部分气体，加速反应气体通过微流场定向的向两侧边的副流道传输，从而使反应气体分布更均匀，并且当反应气体到各流道的挡板处时，由于挡板是向外倾斜的，使反应气体快速进入气体扩散层参加反应，从而提高传质效率；

3)当反应气体进入下游域时，一部分反应气体通过主流道至出气孔，另一部分位于两侧边的副流道内的反应气体通过下游域微流场定向地向主流道传输，最终输送至出气孔；这种气体的传输方式，使反应气体均匀分布在仿生流场内，同时也提升气体的传质效率；

4)同时，反应生成的水从两侧的副流道通过下游域微流场定向地排向主流道，从而使反应生成的水快速的排出，反应气体或反应生成的水被定向输送，汇集到主流道排出出气孔，使流场两侧边缘处的水顺利排出，这种定向排水机制提升排水效率，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。

本发明的优点：

本发明采用在双极板主体中间设有主流道，左右两侧设置有对称的副流道，并且各副流道宽度逐渐递减，在各个流道之间设置脊，在主流道和各副流道上游域均设置有一个挡板，每个脊上对称的设置有微流场，上游域与下游域的微流场流向相反，微流场具有定向传质机制，即通过设置微流场的方向控制气体或水的流动；在上游域，反应气体在流道内由于挡板的阻挡，可加速其通过微流场定向的向两边缘方向副流道传输，同时由于挡板的向前倾斜，也可使反应气体快速的进入气体扩散层参加反应；在下游域，一部分反应气体通过主流道至出气孔，另一部分反应气体或者反应生成的水首先在定向导流体处汇聚，填充凹坑，定向导流体凸起的边缘会阻止反应生成的水反向流动，由于每个凹坑之间的梯度特征符合梯度泰勒毛细升理论，反应气体或反应生成的水被定向输送，汇集到主流道排出出气孔；挡板加快了反应气体进入膜电极，使电化学反应快速进行，定向的微流场形成定向传质机制，改变了流场内部气体和水传输的方式，使反应气体在流场内均匀分布，提升了排水效率，挡板和微流场形成的定向协同多级传输机制，改善燃料电池的水管理，提高了传质效率，最终提升燃料电池的性能与稳定性。

附图说明

图1为本发明的仿生燃料电池双极板的一个实施例的正视图；

图2为本发明的仿生燃料电池双极板的一个实施例的微流场的示意图，其中，(a)为立体图， (b)为侧视剖面图；

图3为本发明的仿生燃料电池双极板的一个实施例的一个定向导流体的示意图，其中，(a) 为立体图，(b)为正视图，(c)为俯视图；

图4为本发明的仿生燃料电池双极板的一个实施例的一个副流道内的局部侧视图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的仿生流场的燃料电池双极板包括：双极板主体3、主流道5、脊 8、副流道4、上分流流道7、下合流流道10、进气孔6、出气孔11、上游域微流场2、下游域微流场9和挡板1；其中，双极板主体3为平板；在双极板主体3的前表面的竖直中心刻有沿竖直方向的主流道5，主流道5的表面平行于双极板主体3的前表面；在双极板主体3 的前表面且位于主流道5的两侧分别刻有多条沿竖直方向平行排布的副流道4，副流道4的宽度从竖直中心向两侧边逐渐递减，图1中虚线为竖直中心，关于竖直中心呈对称分布，副流道4的表面与主流道5的表面位于同一个平面；相邻的副流道4之间以及主流道5与相邻的副流道4之间形成脊，脊的宽度相等；在双极板主体3的前表面，并且在各个脊的上端和下端，分别刻有连通主流道5和各个副流道4的上分流流道7和下合流流道10；在上分流流道7的中心正对着主流道5设置有进气孔6，在与其相对的下合流流道10的中心正对着主流道5设置有出气孔11；双极板的前表面以水平中心为界上半区域为上游域，下半区域为下游域；在每一个脊上位于上游域的部分设置有三个上游域微流场2，各个上游域微流场2等间距排布形成一维上游域微流场2阵列，上游域微流场2的方向垂直于脊的方向，并且流向为从竖直中心至侧边，上游域微流场2的表面与主流道5的表面位于同一个平面，图1中点划线为竖直中心，空心箭头表示流向，在竖直中心的右边侧流向向右，在竖直中心的左边侧流向向左；分布在各个脊上的一维上游域微流场2阵列在脊上的竖直高度以三为周期呈周期性排布，在同一个周期内，一维上游域微流场2阵列在脊上的竖直高度逐渐递减；在主流道5和每一个副流道 4上均设置有挡板1，挡板1位于一个外侧相邻的微流场的下边缘，并且挡板1从双极板主体 3的前表面向内具有向下倾斜，如图4所示；在每一个脊上位于下游域的部分设置有三个下游域微流场9，各个下游域微流场9等间距排布形成一维下游域微流场9阵列，下游域微流场9的方向垂直于脊的方向，并且流向为从侧边至竖直中心，下游域微流场9的表面与主流道5的表面位于同一个平面；分布在各个脊上的一维上游域微流场2阵列在脊上的竖直高度以三为周期呈周期性排布，在同一个周期内，一维下游域微流场9阵列在脊上的竖直高度逐渐递增；上游域微流场2的位置与下游域微流场9的位置关于水平中心呈对称分布。

如图2所示，每一个上游域微流场包括：微流道16、二级流道12、定向导流体13、分隔脊15和凹坑14；其中，流向为从上游域微流场的入口端A至出口端B，上游域微流场的入口端朝向竖直中心，出口端朝向侧边，即上游域微流场的流向为从竖直中心至侧边的方向；微流道16垂直刻在脊上，穿透脊的两个相对的侧面，微流道16的表面与主流道的表面位于同一个平面；微流道16的表面中心线设置分隔脊15将微流道16分成两个对称的二级流道 12，分隔脊15的高度小于脊的高度，分隔脊15的高度在微流场入口端与第一个定向导流体 13的高度相等，分隔脊15的高度沿微流场的流向逐渐减小，分隔脊在入口端具有沿流向的倾斜角；在每一个二级流道12上分别设置一排周期性排列的多个定向导流体13，定向导流体13的方向沿着流向方向；定向导流体13的高度沿流向逐渐降低；相邻的定向导流体13之间形成凹坑14。

如图3所示，每一个定向导流体的上表面和下表面为相互平行的平面，与二级流道的侧面相切，垂直于平行于双极板主体的前表面，上表面和下表面的形状均为倾斜的平行四边形，平行四边形的倾斜方向沿流向方向，倾斜角为α；前表面和后表面为相互平行的平面，平行于双极板主体的前表面，前表面和后表面的形状相同，但前表面的投影面与后表面的投影面相比沿流向方向向侧边平移，后表面位于二级流道的表面；定向导流体的沿与双极板主体的前表面的平行面的截面的形状均相同，两个侧面为曲面，截面的两个侧边为弧形，为椭圆或圆的一部分，弧形的开口朝向侧边，弧形的顶点朝向竖直中心，入口端的侧边的曲率不小于出口端的侧边的曲率。定向导流体的宽度等于二级流道的宽度。定向导流体截面的入口端的侧边的曲率ρ₁不小于出口端的侧边的曲率ρ₂，即ρ₁≥ρ₂。

下游域微流场与上游域微流场关于水平中心对称。

在本实施例中，上游域微流场的宽度w为脊的宽度

平行四边形沿流向的倾斜角α为 20°，相邻每两个定向导流体的高度所形成的梯度角为4°。上游域微流场间隔相等，间隔为3 mm，定向导流体的之间的间隔宽度相等，即每个凹坑的宽度相等。双极板主体的材料采用石墨；主流道的宽度为2mm，脊的宽度为1mm，高度为1mm。副流道的宽度从主流道至两侧按等差数列规律递减，公差为0.2mm。

如图4所示，挡板向内的倾斜角β为60°，挡板两侧与脊相切，垂直高度D为脊高H₁的

厚度为0.6mm，厚度C为0.7mm。二级流道的宽度w与分隔脊的宽度E满足

在一个二级流道内的三个定向导流体的高度分别为H₂、H₃和H₄，沿流向逐渐降低。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种仿生流场的燃料电池双极板，其特征在于，所述仿生流场的燃料电池双极板包括：双极板主体、主流道、脊、副流道、上分流流道、下合流流道、进气孔、出气孔、上游域微流场、下游域微流场和挡板；其中，双极板主体为平板；在双极板主体的前表面的竖直中心刻有沿竖直方向的主流道，主流道的表面平行于双极板主体的前表面；在双极板主体的前表面且位于主流道的两侧分别刻有多条沿竖直方向平行排布的副流道，副流道的宽度从竖直中心向两侧边逐渐递减，关于竖直中心呈对称分布，副流道的表面与主流道的表面位于同一个平面；相邻的副流道之间以及主流道与相邻的副流道之间形成脊，脊的宽度相等；在双极板主体的前表面，并且在各个脊的上端和下端，分别刻有连通主流道和各个副流道的上分流流道和下合流流道；在上分流流道的中心正对着主流道设置有进气孔，在与其相对的下合流流道的中心正对着主流道设置有出气孔；双极板的前表面以水平中心划分为上游域和下游域；在每一个脊上位于上游域的部分设置有n个上游域微流场，n为≥3的自然数，各个上游域微流场等间距排布形成一维上游域微流场阵列，上游域微流场的方向垂直于脊的方向，并且流向为从竖直中心至侧边，上游域微流场的表面与主流道的表面位于同一个平面；分布在各个脊上的一维上游域微流场阵列在脊上的竖直高度以n为周期呈周期性排布，在同一个周期内，一维上游域微流场阵列在脊上的竖直高度逐渐递减或递增；在位于上游域的主流道和每一个副流道上均设置有挡板，挡板位于一个外侧相邻的微流场的下边缘，并且挡板从主流道或副流道的底面向双极板主体的前表面具有向下倾斜；在每一个脊上位于下游域的部分设置有n个下游域微流场，n为≥3的自然数，各个下游域微流场等间距排布形成一维下游域微流场阵列，下游域微流场的方向垂直于脊的方向，并且流向为从侧边至竖直中心，下游域微流场的表面与主流道的表面位于同一个平面；分布在各个脊上的一维下游域微流场阵列在脊上的竖直高度以n为周期呈周期性排布，在同一个周期内，一维下游域微流场阵列在脊上的竖直高度逐渐递增或递减；上游域微流场的位置与下游域微流场的位置关于水平中心呈对称分布；主流道、副流道、上游域微流场和下游域微流场构成仿生流场；当燃料电池工作时，反应气体从进气孔进入，通过上分流流道将反应气体分配到主流道和各个副流道，由于从竖直中心到两侧边的副流道的横截面积逐渐减小，能够保证各流道内气体的流速不变；当反应气体在各流道的上游域时，上游域微流场会引导反应气体从竖直中心向两侧边定向传输，同时由于挡板挡住流道内的部分气体，加速反应气体通过微流场定向的向两侧边的副流道传输，从而使反应气体分布更均匀，并且当反应气体到各流道的挡板处时，由于挡板是向外倾斜的，使反应气体快速进入气体扩散层参加反应，从而提高传质效率；当反应气体进入下游域时，一部分反应气体通过主流道至出气孔，另一部分位于两侧边的副流道内的反应气体通过下游域微流场定向地向主流道传输，最终输送至出气孔；这种气体的传输方式，使反应气体均匀分布在仿生流场内，同时也提升了气体的传质效率；同时，反应生成的水从两侧的副流道通过下游域微流场定向地排向主流道，从而使反应生成的水快速的排出，反应气体或反应生成的水被定向输送，汇集到主流道排出出气孔，使流场两侧边缘处的水顺利排出，这种定向排水机制提升排水效率，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。

2.如权利要求1所述的仿生流场的燃料电池双极板，其特征在于，每一个所述上游域微流场包括：微流道、定向导流体、分隔脊和凹坑；其中，流向为从上游域微流场的入口端至出口端，上游域微流场的入口端朝向竖直中心，出口端朝向侧边，即上游域微流场的流向为从竖直中心至侧边的方向；微流道垂直刻在脊上，穿透脊的两个相对的侧面，微流道的表面与主流道的表面位于同一个平面；微流道的表面中心线设置分隔脊将微流道分成两个对称的二级流道，分隔脊垂直于脊，分隔脊的高度小于脊的高度，分隔脊的高度沿上游域微流场的流向逐渐减小；在每一个二级流道上分别设置一排周期性排列的多个定向导流体，定向导流体的方向沿着流向方向，定向导流体的高度沿流向逐渐降低，相邻的定向导流体之间形成凹坑。

3.如权利要求2所述的仿生流场的燃料电池双极板，其特征在于，每一个所述定向导流体的上表面和下表面为相互平行的平面，垂直于平行于双极板主体的前表面，上表面和下表面的形状均为倾斜的平行四边形，平行四边形的倾斜方向沿流向方向；前表面和后表面为相互平行的平面，平行于双极板主体的前表面，前表面和后表面的形状相同，但前表面的投影面与后表面的投影面相比沿流向方向向侧边平移；两个侧面为曲面，定向导流体沿与双极板主体的前表面的平行面的截面的形状均相同，截面的两个侧边为对称的弧形或抛物线，为椭圆、圆或抛物线的一部分，开口朝向竖直中心，顶点朝向侧边，入口端的侧边的曲率不小于出口端的侧边的曲率。

4.如权利要求1所述的仿生流场的燃料电池双极板，其特征在于，每一个所述下游域微流场包括：微流道、定向导流体、分隔脊和凹坑；其中，流向为从下游域微流场的入口端至出口端，下游域微流场的入口端朝向侧边，出口端朝向竖直中心，即下游域微流场的流向为从侧边至竖直中心的方向；微流道垂直刻在脊上，穿透脊的两个相对的侧面，微流道的表面与主流道的表面位于同一个平面；微流道的表面中心线设置分隔脊将微流道分成两个对称的二级流道，分隔脊垂直于脊，分隔脊的高度小于脊的高度，分隔脊的高度沿下游域微流场的流向逐渐减小；在每一个二级流道上分别设置一排周期性排列的多个定向导流体，定向导流体的方向沿着流向方向；定向导流体的高度沿流向逐渐降低。

5.如权利要求4所述的仿生流场的燃料电池双极板，其特征在于，所述每一个定向导流体的上表面和下表面为相互平行的平面，与微流道的上侧壁和下侧壁相切，垂直于平行于双极板主体的前表面，上表面和下表面的形状均为倾斜的平行四边形，平行四边形的倾斜方向沿流向方向；前表面和后表面为相互平行的平面，平行于双极板主体的前表面，前表面和后表面的形状相同，但前表面的投影面与后表面的投影面相比沿流向方向向竖直中心平移；两个侧面为曲面，定向导流体沿与双极板主体的前表面的平行面的截面的形状均相同，截面的两个侧边为对称的弧形或抛物线，开口朝向侧边，顶点朝向竖直中心，入口端的侧边的曲率不小于出口端的侧边的曲率。

6.如权利要求3或5所述的仿生流场的燃料电池双极板，其特征在于，所述平行四边形的倾斜角α为15°～30°，在一个二级流道内相邻每两个定向导流体的高度所形成的梯度角为3°～6°。

7.如权利要求1所述的仿生流场的燃料电池双极板，其特征在于，所述挡板与主流道或副流道的表面的倾斜角β为50°～70°，挡板两侧与脊相切，挡板垂直高度D为脊的高度H₁的

厚度C为0.5mm～0.8mm。

8.如权利要求1所述的仿生流场的燃料电池双极板，其特征在于，所述主流道的宽度为2mm～3mm；脊的宽度为1mm～2mm，高度为1mm～2mm；所述副流道的宽度从主流道至两侧边按等差数列规律递减，公差为0.1mm～0.3mm。

9.如权利要求2所述的仿生流场的燃料电池双极板，其特征在于，所述二级流道的宽度w与分隔脊的宽度E满足

10.一种如权利要求1所述的仿生流场的燃料电池双极板的气体输送和排水方法，其特征在于，所述气体输送和排水方法包括以下步骤：

1)当燃料电池工作时，反应气体从进气孔进入，通过上分流流道将反应气体分配到主流道和各个副流道，由于从竖直中心到两侧边的副流道的横截面积逐渐减小，能够保证各流道内气体的流速不变；

2)当反应气体在各流道的上游域时，上游域微流场会引导反应气体从竖直中心向两侧边定向传输，同时由于挡板挡住流道内的部分气体，加速反应气体通过微流场定向的向两侧边的副流道传输，从而使反应气体分布更均匀，并且当反应气体到各流道的挡板处时，由于挡板是向外倾斜的，使反应气体快速进入气体扩散层参加反应，从而提高传质效率；

3)当反应气体进入下游域时，一部分反应气体通过主流道至出气孔，另一部分位于两侧边的副流道内的反应气体通过下游域微流场定向地向主流道传输，最终输送至出气孔；这种气体的传输方式，使反应气体均匀分布在仿生流场内，同时也提升气体的传质效率；

4)同时，反应生成的水从两侧的副流道通过下游域微流场定向地排向主流道，从而使反应生成的水快速的排出，反应气体或反应生成的水被定向输送，汇集到主流道排出出气孔，使流场两侧边缘处的水顺利排出，这种定向排水机制提升排水效率，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。

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