CN111613809A - 一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，该结构中阴极气体流道和阳极气体流道采用基于人体肋骨衍化的交指型仿生学流道结构。本发明不仅能够尽可能地使氢气和氧气尽可能长时间的停留在燃料电池中，能够使氢气和氧气能够充分反应，可明显提高燃料利用率，该结构同样具有很好的排水能力，能为质子交换膜燃料电池的结果设计进一步提供仿生学思路。

Description

一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构。
背景技术
随着经济和科技的快速发展，能源与环境之间的矛盾也变得越来越严重。人们开始倾向于寻找新的清洁能源，其中质子交换膜燃料电池就是研究热点之一。质子交换膜燃料电池作为一种能量转换装置，以氢气或者富氢气体作为燃料，与纯氧或纯净空气反应，直接将化学能转化为电能。质子交换膜燃料电池不仅高效和无污染，而且工作可靠性高。质子交换膜燃料电池已经成为未来能源利用的一种趋势，极具开发价值。
质子交换膜燃料电池主要由双极板、催化层、扩散层和质子交换膜等重要部件组成。其中双极板的流场设计是质子交换膜燃料电池发展中最活跃的研究领域之一，双极板是确保电池内适当的水管理、防止水淹和在高电流密度下安全运行的关键部件。双极板的流场主要有平行流场，蛇形流场和交指流场等，其中交指流场可以提高反应气体进入催化层的速率，增加膜的水合状态，加强质子交换膜的导电性，改善燃料电池的综合性能。除此之外，人们也基于自然或生物结构，如树叶或肺，成功地探索了多种仿生流道设计。
然而，质子交换膜燃料电池在技术方面仍然存在一些问题，比如氢气和氧气无法充分反应，导致气体燃料利用率低，进而引起实际电池效率低于理论电池效率；并且人们普遍认为，仿生学设计也尚未充分发挥其潜力，有待进一步发掘。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其能够提高燃料利用率，改善电池性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，该结构中阴极气体流道和阳极气体流道采用基于人体肋骨衍化的交指型仿生学流道结构。该质子交换膜燃料电池包括阴极极板、阳极极板，阴极极板和阳极极板中均有气体流道，该气体流道通过交指型仿生学流道结构设计而用来使氢气和氧气能够均匀地分散在双极板上，增加反应气体在气体通道中的停留时间，令其充分反应，进而使膜电流密度分布更加均匀。
本发明通过对人体肋骨的整体结构进行抽象，并基于此对其进行改进，最终得到人体肋骨的仿生学流道设计。
进一步，交指型仿生学流道结构共有一个入口和一个出口。该仿生学流道设计中，整个流道共有一个气体入口和一个出口，入口和出口之间不连续，无流道连接。
进一步，阴极气体流道和阳极气体流道的间距均为等距分布，有利于参加反应的气体在整个双极板上的均匀传输。
进一步，仿生学质子交换膜燃料电池结构中的仿生学流道根据电池的尺寸设置不同的流道分支数和改变流道尺寸。
进一步，仿生学质子交换膜燃料电池结构中的阳极包括阳极极板、阳极气体扩散层和阳极催化层；
仿生学质子交换膜燃料电池结构中的阴极包括阴极极板、阴极气体扩散层和阴极催化层；
在阴极催化层与阳极催化层之间设置有质子交换膜，而本发明中质子交换膜只允许氢离子通过。
本发明中反应气体强制通过扩散层，可以提高气体传输能力，具有很好的排水能力。
进一步，所述阴极气体流道具有入口流道部分和出口流道部分，入口流道部分和出口流道部分通过扩散层的孔隙接通；同理，阳极气体流道均具有入口流道部分和出口流道部分，入口流道部分和出口流道部分通过扩散层的孔隙接通，入口流道部分和入口相连，出口流道部分和出口相连。
与现有技术相比，本发明的优点为：本发明不仅能够尽可能地使氢气和氧气尽可能长时间的停留在燃料电池中，能够使氢气和氧气能够充分反应，可明显提高燃料利用率，该结构同样具有很好的排水能力，能为质子交换膜燃料电池的结果设计进一步提供仿生学思路。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构示意图。
图2为本发明实施例中一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构的衍化过程图，(a)人体肋骨示意图；(b)人体肋骨抽象流道图。
图3为本发明实施例中一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构的阴极流道结构示意图。
图4为本发明实施例中一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构俯视图，该图中利用箭头形式标注了气体走向。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明所采用的技术方案作进一步的说明。
如图1，一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其包括阴极气体流道1、阴极气体扩散层2、阴极催化层3、质子交换膜4、阳极催化层5、阳极气体扩散层6、阳极气体流道7、阴极气体入口8、阴极气体出口9，仿生学质子交换膜燃料电池结构中的阳极包括阳极极板、阳极气体扩散层6和阳极催化层5，而仿生学质子交换膜燃料电池结构中的阴极包括阴极极板、阴极气体扩散层2和阴极催化层3，在阴极催化层与阳极催化层之间设置有质子交换膜4，质子交换膜只允许氢离子通过。通过机械加工技术对双极板进行精细加工，使得阴极流道(阴极气体流道1)、阳极流道(阳极气体流道7)采用技术人体肋骨衍化的交指型仿生学流道设计，这样可以增加反应气体在气体通道中的停留时间，令两者进行充分反应，进而可以使膜电流密度分布更加均匀。
图2中给出了人体肋骨示意图以及人体肋骨抽象流道图，结合图3-4，流道共有一个入口和一个出口，以阴极为例，其左侧为反应气体入口8，右侧为反应气体出口9。在反应气体入口8和反应气体出口9之间为不连续的，并且无流道连接。这样可以使反应气体强制通过扩散层，可以提高气体传输能力，也使整个电池设计具有很好的排水能力。质子交换膜4位于电池阴极和阳极中间，并且只有氢离子可以通过质子交换膜。上文仅仅描述了阴极的气体出入口，阳极的气体出入口与之同理。
燃料电池结构中的仿生学流道设计可根据具体电池的尺寸设计不同的流道分支数和流道尺寸，并且阴极气体流道1和阳极气体流道7的间距均为等距分布，有利于参加反应的气体在整个双极板上的均匀传输。
阴极气体流道1、阴极气体扩散层2、阴极催化层3、质子交换膜4、阳极催化层5、阳极扩散层6和阳极气体流道7之间通过一定的机械组装技术将所有部件组装到一起，最后形成可使用的燃料电池。质子交换膜燃料电池属于现有技术，对其结构以及原理在此不加以赘述。
在图4中，以阴极气体流道为例，阴极气体流道包括入口流道部分和出口流道部分，在图中实线代表入口流道部分，而虚线代表出口流道部分，由于流场下方具有扩散层，入口的气体进入到入口流道部分(实线所示)后，气体会向下扩散，进入到扩散层，扩散层具有孔隙，气体通过孔隙而让气体再次进入到虚线所示的出口流道部分。此处仅仅描述了阴极气体流道，而该电池结构的阳极气体流道与之同理。
需要指出的是，本案中，气体流道采用人体肋骨衍化的交指型仿生学流道设计尽可能地使氢气和氧气尽可能长时间的停留在燃料电池中，能够使氢气和氧气能够充分反应，可明显提高燃料利用率。
另外，本实施例中图纸的出口流道部分略去了盖板，盖板的形式包括但不仅限于整体电池盖板或者仅仅覆盖出口流道局部的盖板。
本实施例中，燃料电池上下部分均有石墨板材质的端板密封(即盖板，图中未示)。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，该结构中阴极气体流道和阳极气体流道采用基于人体肋骨衍化的交指型仿生学流道结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述交指型仿生学流道结构共有一个入口和一个出口。
3.根据权利要求1所述的一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述阴极气体流道和阳极气体流道的间距均为等距分布。
4.根据权利要求1所述的一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，仿生学质子交换膜燃料电池结构中的仿生学流道根据电池的尺寸设置不同的流道分支数和改变流道尺寸。
5.根据权利要求1所述的一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，仿生学质子交换膜燃料电池结构中的阳极包括阳极极板、阳极气体扩散层和阳极催化层；
仿生学质子交换膜燃料电池结构中的阴极包括阴极极板、阴极气体扩散层和阴极催化层；
在阴极催化层与阳极催化层之间设置有质子交换膜。
6.根据权利要求1所述的一种基于人体肋骨衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述阴极气体流道和阳极气体流道均具有入口流道部分和出口流道部分，入口流道部分和出口流道部分通过扩散层的孔隙接通。
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