CN114497615A - 一种仿生流场的燃料电池双极板及其实现方法 - 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实现方法。本发明采用变径螺线仿生流场，改变反应气体的传输路径使其均匀分布，降低压降的同时提升传质效率，仿生挡板为仿鲨鱼表皮结构，使反应气体快速传输到质子交换膜参加反应；变径螺线流场与仿生挡板的耦合多等级梯度传输方式，提升传质性能，提高反应气体均匀分布，增大反应气体流速的同时保持压降不变，使得反应生成的水快速排出；通过梯度规律性分布仿生挡板，降低泵送功率，高效定向引导反应气体到反应位点，提高电化学反应速率和反应气体利用率，仿生挡板在流场传质过程中形成微涡流减阻机制，显著降低流体与双极板固体表面的摩擦阻力，提高传质效率，改善燃料电池水管理。

Description

一种仿生流场的燃料电池双极板及其实现方法

技术领域

本发明涉及，具体涉及一种仿生流场的燃料电池双极板及其实现方法。

背景技术

能源短缺与环境污染是人类面临的重要问题，氢能作为清洁的二次能源是解决此问题的重要途径，质子交换膜燃料电池作为利用氢能的主要方式之一，通过电化学反应将化学能直接转化为电能的燃料电池技术受到能源工作者的高度关注。此外，燃料电池还具有能量转化效率高、无污染、噪音低等优点。由于质子交换膜燃料电池的高工作电流密度，可作为固定电站或移动车辆的电源，引起各国研究人员的研究和开发热潮。

双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件之一，占电池质量的60％以上，总成本的30％以上，双极板的流场设计是影响电池性能的重要因素之一，合理的流场结构可以降低燃料电池的成本，优化系统结构，提高电池性能。传统流场包括平行流场、蛇形流场和交指型流场等，其中平行流场传质方式主要是扩散，由于流道内较小的压差会导致反应生成的水不易排出、反应物分布不均等问题，蛇形流场除了扩散传质之外，由于其进口和出口之间的距离较长，形成较大的压降可提升电池的排水性能，但会降低电池的净输出功率，同时随着反应的消耗会使得距离出口处的反应物分布不均，交指型流场引入强制对流传质方式，通过隔断流道利用强制对流使反应气体传输到膜电极参加电化学反应，提高了电池的传质效率，但会造成过大进出口压降，由于其自身的阻断结构会造成部分反应生成的水的滞留堵塞现象，直接影响电池性能，故双极板流场结构的设计需要同时权衡反应物均匀分布、反应生成的水快速排出以及合理的压降等性能指标。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种仿生流场的燃料电池双极板及其实现方法。

燃料电池包括：双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜；质子交换膜位于中心，两侧从内至外分别为对称分布的阴极和阳极催化层、阴极和阳极气体扩散层以及阴极和阳极双极板，本发明的仿生流场的燃料电池双极板作为燃料电池的阴极和阳极双极板，燃料电池双极板面向气体扩散层的表面为前表面。

本发明的一个目的在于提出一种仿生流场的燃料电池双极板。

本发明的仿生流场的燃料电池双极板包括：双极板主体、进口、变径螺线流道、流场脊、仿生挡板和出口；其中，双极板主体为圆形平面板，在双极板主体的中心开设有打通前表面和后表面的进口；在双极板主体的前表面刻有以进口为中心顺时针或逆时针分布的变径螺线流道，变径螺线流道在沿气流传输方向上分为N个等级，各个等级的宽度沿气流传输方向呈梯度减小，各个等级的深度一致，N为≥3的自然数，在两个等级的变径螺线流道的临界处，变径螺线流道的外侧的螺线轨迹不变，内侧的螺线轨迹向外侧靠拢从而使变径螺线流道的宽度降低；各变径螺线流道之间为流场脊；在双极板主体上且位于变径螺线流道的末端开设出口，出口连通至双极板主体的边缘；燃料电池双极板与内部的反应气体和反应生成的水共同构成仿生流场；

设置作为标记用的多条标记线，每一条标记线以双极板主体的进口的中心为起点，终点位于双极板主体的边缘，形状为半个周期的正弦线，对于变径螺线流道为顺时针的螺线，标记线为0～π周期的正弦线，对于变径螺线流道为逆时针的螺线，标记线为π～2π周期的正弦线；多条标记线关于双极板主体的中心呈等夹角分布，标记线的数量为S，S为≥8的自然数，即相邻的两条标记线间的夹角为2π/S；在变径螺线流道内设置多个仿生挡板，各个仿生挡板分布在标记线上，与变径螺线流道的等级相对应，在沿气流传输方向上分为N个等级，即各个等级的仿生挡板分布于同等级的变径螺线流道上；

仿生挡板的前面和后面均为平面，与变径螺线流道的底面垂直且垂直于气流传输方向；仿生挡板的两侧面均为平面；仿生挡板的底面为平面，位于变径螺线流道的底面；仿生挡板的上表面为迎风面，在迎风面的表面开设两条对称的微流道，两条微流道之间形成一级脊，微流道与所在侧相应的侧面之间形成二级脊；微流道的形状为部分圆台，即微流道的底面截面为下凹的圆弧形，且沿气流传输方向，圆弧的半径逐渐减小，并且两个微流道所对应的圆台的中轴线沿气流传输方向相交于一点；一级脊的形状为部分倒圆台，即一级脊的顶面截面为上凸的圆弧形，且沿气流传输方向，圆弧的半径逐渐增大；二级脊的形状为部分圆台，即二级脊的顶面截面为上凸的圆弧形，且沿气流传输方向，圆弧的半径逐渐减小，并且两个二级脊所对应的圆台的中轴线沿气流传输方向相交于一点；微流道对应的圆台、一级脊对应的倒圆台和二级脊对应的圆台的中心轴，均沿着气流传输方向逐渐升高，即中心轴与水平面具有倾斜角度β，从而使得迎风面具有倾斜角度，各个等级的仿生挡板的倾斜角度β一致；仿生挡板的迎风面形成的微流道、一级脊和二级脊以及倾斜角度构成仿鲨鱼表皮结构；仿生挡板的前面的底边与所在的变径螺线流道的宽度一致，微流道的起始端的圆弧的最低点与所在的变径螺线流道的底面重合，一级脊的末端的最高点不高于流场脊；仿生挡板关于一级脊的中心面为对称的结构，一级脊的中心面垂直于仿生挡板的前面；

燃料电池工作时，反应气体从进口进入，通过变径螺线流道传输反应气体，在每个等级的变径螺线流道内，反应气体匀速离开进口的同时又以恒定的角速度绕进口转动，同步叠加完成直线和旋转两种运动，保证反应气体匀速向出口方向定向传输，使反应气体沿气体传输方向得到均匀分配，提高反应气体分布的均匀性，进而使反应气体通过气体扩散层均匀进入催化剂层完成电化学反应；沿着气体传输方向，在变径螺线流道内从高等级向低等级传输的过程中，变径螺线流道的内侧逐级向外侧靠拢，使得螺线流道的宽度逐级减小，由于流道截面变小，传输相同流量的反应气体，下一等级螺线流道内的反应气体的流速较上一等级明显增大，在不增大额外压降的条件下，逐渐靠近出口处的反应气体仍能获得较大的速度，使反应气体在多等级的变径螺线流道内呈梯度快速传输，提升仿生流场的传质性能，从而提供较大流速的驱动力，在不增加压降的条件下，将反应生成的水及时快速的梯度排出电池；

反应气体在变径螺线流道传输的过程中遇到仿生挡板，仿生挡板的迎风面利用倾斜角度将反应气体通过扩散层定向输送至催化层，随着微流道的圆弧形的底面的升高，两侧的二级脊与中间的一级脊将反应气体聚拢在两个微流道内，两个微流道内的反应气体传输到催化层时汇聚到一起，使得催化层内的反应气体的流量和流速均明显增大，高效定向引导变径螺线流道内的反应气体到反应位点，加快反应位点的电化学反应速率，提高反应气体的利用率，同时增大的流速将反应生成的水快速排出，改善燃料电池的水管理；从进口到出口随着变径螺线流道的等级降低，不同等级的变径螺线流道之间的仿生挡板的密集度呈梯度降低，使得传输的反应气体流速逐级增大，并且压降基本不变，提高传质效率的同时降低燃料电池的泵送功率；当反应生成的水传输到仿生挡板的迎风面，而反应气体在微流道内传输，此时在其迎风面上形成微涡流减阻机制，显著降低流体与变径螺线流道和仿生挡板底面的摩擦阻力，这种减阻机制显著降低燃料电池的泵送功率，并提高传质和排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。

变径螺线流道的外侧轨迹满足极坐标方程：r＝K·α，其中，α为变径螺线流道外侧轨迹与进出口连线之间形成的角度，|K|的取值范围是2～4，即流道相邻外侧螺线间距为2～4mm，当K＞0时，变径螺线流道为顺时针方向，当K＜0时，变径螺线流道为逆时针方向。

变径螺线流道的各等级的宽度满足W_S(n-1)＝k_S·W_Sn，n＝2，…N，W_S(n-1)为变径螺线流道的第n-1等级的宽度，W_Sn为变径螺线流道的第n等级的宽度，k_S为变径螺线流道的梯度宽度比，1.1≤k_Z≤1.8；变径螺线流道的第一等级的宽度W_S1为1.0mm～3.0mm；变径螺线流道不同等级临界处内侧的螺线轨迹向外侧靠拢的过程为过渡段，过渡段与下一级的内侧的螺线轨迹的切线之间角度满足15°≤A≤30°。

标记线满足正弦曲线y＝a·sin(x/b)，其中5mm≤a≤10mm，7≤b≤10，0≤x≤2bπ。

仿生挡板的倾斜角度β满足30°≤β≤60°；各仿生挡板的长度L_B满足2mm～4mm。

各等级仿生挡板的微流道的圆台的下底与上底圆弧半径满足

其中，R_XM为微流道圆台的下底圆弧半径，R_SM为微流道圆台的上底圆弧半径；一级脊的倒圆台的下底与上底圆弧半径满足

其中，R_XJ1为一级脊倒圆台的下底圆弧半径，R_SJ1为一级脊倒圆台的上底圆弧半径；二级脊的圆台的下底与上底满足

其中，R_XJ2为二级脊倒圆台的下底圆弧半径，R_SJ2为二级脊倒圆台的上底圆弧半径；两个二级脊所对应的圆台的中轴线的夹角为10°～30°，两个微流道的中轴线的夹角为10°～20°。圆台和倒圆台中，上底小于下底。

双极板主体的材料采用石墨、钛、铌、铝、铜和不锈钢中的一种。

双极板仿生流道的深度为1.0mm～2.0mm。

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实现方法。

本发明的仿生流场的燃料电池双极板的实现方法，包括以下步骤：

1)燃料电池双极板设置：

a)提供双极板主体，双极板主体为圆形平面板，在双极板主体的中心开设有打通前表面和后表面的进口；

b)在双极板主体的前表面刻有以进口为中心顺时针或逆时针分布的变径螺线流道，变径螺线流道在沿气流传输方向上分为N个等级，各个等级的宽度沿气流传输方向呈梯度减小，各个等级的深度一致，N为≥3的自然数，在两个等级的变径螺线流道的临界处，变径螺线流道的外侧的螺线轨迹不变，内侧的螺线轨迹向外侧靠拢从而使变径螺线流道的宽度降低；各变径螺线流道之间为流场脊；

c)在双极板主体上且位于变径螺线流道的末端开设出口，出口连通至双极板主体的边缘；

d)设置作为标记用的多条标记线，每一条标记线以双极板主体的进口的中心为起点，终点位于双极板主体的边缘，形状为半个周期的正弦线，对于变径螺线流道为顺时针的螺线，标记线为0～π周期的正弦线，对于变径螺线流道为逆时针的螺线，标记线为π～2π周期的正弦线；多条标记线关于双极板主体的中心呈等夹角分布，标记线的数量为S，S为≥8的自然数，即相邻的两条标记线间的夹角为2π/S；

e)在变径螺线流道内设置多个仿生挡板，各个仿生挡板分布在标记线上，与变径螺线流道的等级相对应，在沿气流传输方向上分为N个等级，即各个等级的仿生挡板分布于同等级的变径螺线流道上；仿生挡板的迎风面形成仿鲨鱼表皮结构；

2)燃料电池工作时，反应气体从进口进入，通过变径螺线流道传输反应气体，在每个等级的变径螺线流道内，反应气体匀速离开进口的同时又以恒定的角速度绕进口转动，同步叠加完成直线和旋转两种运动，保证反应气体匀速向出口方向定向传输，使反应气体沿气体传输方向得到均匀分配，提高反应气体分布的均匀性，进而使反应气体通过气体扩散层均匀进入催化剂层完成电化学反应；

3)沿着气体传输方向，在变径螺线流道内从高等级向低等级传输的过程中，变径螺线流道的内侧逐级向外侧靠拢，使得螺线流道的宽度逐级减小，由于流道截面变小，传输相同流量的反应气体，下一等级螺线流道内的反应气体的流速较上一等级明显增大，在不增大额外压降的条件下，逐渐靠近出口处的反应气体仍能获得较大的速度，使反应气体在多等级的变径螺线流道内呈梯度快速传输，提升仿生流场的传质性能，从而提供较大流速的驱动力，在不增加压降的条件下，将反应生成的水及时快速的梯度排出电池；

4)反应气体在变径螺线流道传输的过程中遇到仿生挡板，仿生挡板的迎风面利用倾斜角度将反应气体通过扩散层定向输送至催化层，随着微流道的圆弧形的底面的升高，两侧的二级脊与中间的一级脊将反应气体聚拢在两个微流道内，两个微流道内的反应气体传输到催化层时汇聚到一起，使得催化层内的反应气体的流量和流速均明显增大，高效定向引导变径螺线流道内的反应气体到反应位点，加快反应位点的电化学反应速率，提高反应气体的利用率，同时增大的流速将反应生成的水快速排出，改善燃料电池的水管理；

5)从进口到出口随着变径螺线流道的等级降低，不同等级的变径螺线流道之间的仿生挡板的密集度呈梯度降低，使得传输的反应气体流速逐级增大，并且压降基本不变，提高传质效率的同时降低燃料电池的泵送功率；当反应生成的水传输到仿生挡板的迎风面，而反应气体在微流道内传输，此时在其迎风面上形成微涡流减阻机制，显著降低流体与变径螺线流道和仿生挡板底面的摩擦阻力，这种减阻机制显著降低燃料电池的泵送功率，并提高传质和排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。

本发明的优点：

本发明采用变径螺线仿生流场，改变反应气体的传输路径使其均匀分布，降低压降的同时提升传质效率，仿鲨鱼表皮结构设计流道内的仿生挡板，使反应气体快速传输到质子交换膜参加反应；这种变径螺线流场与仿生挡板的耦合多等级梯度传输方式，高效提升了传质性能，确保反应气体定向高效传输，提高反应气体分布的均匀性，增大反应气体流速的同时保持压降基本不变，使得反应生成的水快速排出；通过梯度规律性分布仿生挡板，降低电池的泵送功率，高效定向引导变径螺线流道内的反应气体到反应位点，提高电化学反应速率和反应气体利用率，仿生挡板迎风面结构在流场传质过程中形成微涡流减阻机制，可显著降低流体与双极板固体表面的摩擦阻力，提高传质效率，改善燃料电池水管理。

附图说明

图1为本发明的仿生流场的燃料电池双极板的一个实施例的正视图；

图2为本发明的仿生流场的燃料电池双极板的一个实施例的仿生挡板设置在变径螺线流道上的示意图；

图3为本发明的仿生流场的燃料电池双极板的一个实施例的仿生挡板的示意图；

图4为本发明的仿生流场的燃料电池双极板的一个实施例的仿生挡板的尺寸标号图；

图5为本发明的仿生流场的燃料电池双极板的一个实施例的仿生挡板的倾斜角度图；

图6为本发明的仿生流场的燃料电池双极板的一个实施例的两个等级的变径螺线流道的临界处的示意图。

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1、进口2、变径螺线流道3、流场脊4、仿生挡板5和出口6；其中，双极板主体1为圆形平面板，在双极板主体1的中心开设有打通前表面和后表面的进口2；在双极板主体1的前表面刻有以进口2为中心顺时针或逆时针分布的变径螺线流道3，变径螺线流道3在沿气流传输方向上分为三个等级，各个等级的宽度沿气流传输方向呈梯度减小，各个等级的深度一致，在两个等级的变径螺线流道3的临界处，变径螺线流道3的外侧的螺线轨迹不变，内侧的螺线轨迹向外侧靠拢从而使变径螺线流道3的宽度降低；各变径螺线流道3之间为流场脊4；在双极板主体1上且位于变径螺线流道3的末端开设出口6，出口6连通至双极板主体1的边缘；

设置作为标记用的十条标记线7，每一条标记线以双极板主体1的进口2的中心为起点，终点位于双极板主体1的边缘，形状为半个周期的正弦线，变径螺线流道3为顺时针的螺线，标记线为0～π周期的正弦线，变径螺线流道3为逆时针的螺线，标记线为π～2π周期的正弦线；多条标记线关于双极板主体1的中心呈等夹角分布，标记线的数量为S，S为≥8的自然数，即相邻的两条标记线间的夹角为2π/S；在变径螺线流道3内设置多个仿生挡板5，各个仿生挡板5分布在标记线上，与变径螺线流道3的等级相对应，在沿气流传输方向上分为N个等级，即各个等级的仿生挡板5分布于同等级的变径螺线流道3上；在变径螺线流道3都经过一次各标记线后，开始布置仿生挡板5；

仿生挡板5的前面8和后面9均为平面，与变径螺线流道3的底面垂直且垂直于气流传输方向；仿生挡板5的两侧面均为平面，与变径螺线流道3的底面垂直；仿生挡板5的底面为平面，位于变径螺线流道3的底面；仿生挡板5的上表面为迎风面，在迎风面的表面开设两条对称的微流道11，两条微流道之间形成一级脊12，微流道与所在侧相应的侧面之间形成二级脊10；微流道11的形状为部分圆台，即微流道11的底面截面为下凹的圆弧形，且沿气流传输方向，圆弧的半径逐渐减小，并且两个微流道11所对应的圆台的中轴线沿气流传输方向相交于一点；一级脊12的形状为部分倒圆台，即一级脊12的顶面截面为上凸的圆弧形，且沿气流传输方向，圆弧的半径逐渐增大；二级脊10的形状为部分圆台，即二级脊10的顶面截面为上凸的圆弧形，且沿气流传输方向，圆弧的半径逐渐减小，并且两个二级脊10所对应的圆台的中轴线沿气流传输方向相交于一点；微流道11对应的圆台、一级脊12对应的倒圆台和二级脊10对应的圆台的中心轴，均沿着气流传输方向逐渐升高，即中心轴与水平面具有倾斜角度β，从而使得迎风面具有倾斜角度；仿生挡板5的前面的底边与所在的变径螺线流道3的宽度一致，微流道11的起始端的圆弧的最低点与所在的变径螺线流道3的底面重合，一级脊12的末端的最高点的高度不高于变径螺线流道3的深度；与所在的变径螺线流道3的等级一致，各等级的仿生挡板5的尺寸逐级成比例减小。

在本实施例中，变径螺线流道3的外侧轨迹满足极坐标方程：r＝3·α，其中，α为变径螺线流道3外侧轨迹与进出口6连线之间形成的角度，即流道相邻外侧螺线间距为3mm，变径螺线流道3为顺时针方向。

变径螺线流道3的各等级的宽度W_S1、W_S2、W_S3，满足W_S1＝1.2²W_S3，W_S2＝1.2W_S3；变径螺线流道3的第一等级的宽度W_S1为2.0mm；变径螺线流道3的三个等级的长度分别为L_S1、L_S2和L_S3，满足L_S1＝93mm，L_S2＝160mm，L_S3＝245mm；双极板主体1的材料采用不锈钢；双极板仿生流道的深度为1.0mm。如图6所示，变径螺线流道3不同等级临界处内侧的螺线轨迹向外侧靠拢的过程为过渡段，过渡段与下一级的内侧的螺线轨迹的切线之间角度A为18°。

标记线满足y＝5·sin(x/7)，其中，0≤x≤7π。

仿生挡板5的倾斜角度β为30°，各个等级的仿生挡板5的长度L_B均为2mm；仿生挡板5的前面的底边的宽度W_Q与所在的变径螺线流道3的宽度一致；各等级仿生挡板5的微流道的圆台的下底与上底圆弧半径满足

其中，R_XM为微流道圆台的下底圆弧半径，R_SM为微流道圆台的上底圆弧半径；一级脊的倒圆台的下底与上底圆弧半径满足

其中，R_XJ1为一级脊倒圆台的下底圆弧半径，R_SJ1为一级脊倒圆台的上底圆弧半径；二级脊的圆台的下底与上底满足

其中，R_XJ2为二级脊倒圆台的下底圆弧半径，R_SJ2为二级脊倒圆台的上底圆弧半径；两个二级脊所对应的圆台的中轴线的夹角为20°，两个微流道的中轴线的夹角为15°。圆台和倒圆台中，上底小于下底。

本实施例的仿生流场的燃料电池双极板的实现方法，包括以下步骤：

1)燃料电池双极板设置如图1所示；

2)燃料电池工作时，反应气体从进口2进入，通过变径螺线流道3传输反应气体，在每个等级的变径螺线流道3内，反应气体匀速离开进口2的同时又以恒定的角速度绕进口2转动，同步叠加完成直线和旋转两种运动，保证反应气体匀速向出口6方向定向传输，使反应气体沿气体传输方向得到均匀分配，提高反应气体分布的均匀性，进而使反应气体通过气体扩散层均匀进入催化剂层完成电化学反应；

3)沿着气体传输方向，在变径螺线流道3内从高等级向低等级传输的过程中，变径螺线流道3的内侧逐级向外侧靠拢，使得螺线流道的宽度逐级减小，由于流道截面变小，传输相同流量的反应气体，下一级螺线流道内的反应气体的流速较上一级明显增大，在不增大额外压降的条件下，逐渐靠近出口6处的反应气体仍能获得较大的速度，使反应气体在多等级的变径螺线流道3内呈梯度快速传输，提升仿生流场的传质性能，从而提供较大流速的驱动力，在不增加压降的条件下，将反应生成的水及时快速的梯度排出电池；

4)反应气体在变径螺线流道3传输的过程中遇到仿生挡板5，仿生挡板5的迎风面利用倾斜角度将反应气体通过扩散层定向输送至催化层，随着微流道的圆弧形的底面的升高，两侧的二级脊与中间的一级脊将反应气体聚拢在两个微流道内，两个微流道内的反应气体传输到催化层时汇聚到一起，使得催化层内的反应气体的流量和流速均明显增大，高效定向引导变径螺线流道3内的反应气体到反应位点，加快反应位点的电化学反应速率，提高反应气体的利用率，同时增大的流速将反应生成的水快速排出，改善燃料电池的水管理；

5)从进口2到出口6随着变径螺线流道3的等级降低，不同等级的变径螺线流道3之间的仿生挡板5的密集度呈梯度降低，使得传输的反应气体流速逐级增大，并且压降基本不变，提高传质效率的同时降低燃料电池的泵送功率；当反应生成的水传输到仿生挡板5的迎风面，而反应气体在微流道内传输，此时在其迎风面上形成微涡流减阻机制，显著降低流体与变径螺线流道3和仿生挡板5底面的摩擦阻力，这种减阻机制显著降低燃料电池的泵送功率，并提高传质和排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。

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，燃料电池包括：双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜；质子交换膜位于中心，两侧从内至外分别为对称分布的阴极和阳极催化层、阴极和阳极气体扩散层以及阴极和阳极双极板，所述燃料电池双极板作为燃料电池的阴极和阳极双极板，燃料电池双极板面向气体扩散层的表面为前表面，其特征在于，所述燃料电池双极板包括：双极板主体、进口、变径螺线流道、流场脊、仿生挡板和出口；其中，双极板主体为圆形平面板，在双极板主体的中心开设有打通前表面和后表面的进口；在双极板主体的前表面刻有以进口为中心顺时针或逆时针分布的变径螺线流道，变径螺线流道在沿气流传输方向上分为N个等级，N为≥3的自然数，各个等级的宽度沿气流传输方向呈梯度减小，各个等级的深度一致，在两个等级的变径螺线流道的临界处，变径螺线流道的外侧的螺线轨迹不变，内侧的螺线轨迹向外侧靠拢从而使变径螺线流道的宽度降低；各变径螺线流道之间为流场脊；在双极板主体上且位于变径螺线流道的末端开设出口，出口连通至双极板主体的边缘；燃料电池双极板与内部的反应气体和反应生成的水共同构成仿生流场；

设置作为标记用的多条标记线，每一条标记线以双极板主体的进口的中心为起点，终点位于双极板主体的边缘，形状为半个周期的正弦线，对于变径螺线流道为顺时针的螺线，标记线为0～π周期的正弦线，对于变径螺线流道为逆时针的螺线，标记线为π～2π周期的正弦线；多条标记线关于双极板主体的中心呈等夹角分布，标记线的数量为S，S为≥8的自然数，即相邻的两条标记线间的夹角为2π/S；在变径螺线流道内设置多个仿生挡板，各个仿生挡板分布在标记线上，与变径螺线流道的等级相对应，在沿气流传输方向上分为N个等级，即各个等级的仿生挡板分布于同等级的变径螺线流道上；

仿生挡板的前面和后面均为平面，与变径螺线流道的底面垂直且垂直于气流传输方向；仿生挡板的两侧面均为平面；仿生挡板的底面为平面，位于变径螺线流道的底面；仿生挡板的上表面为迎风面，在迎风面的表面开设两条对称的微流道，两条微流道之间形成一级脊，微流道与所在侧相应的侧面之间形成二级脊；微流道的形状为部分圆台，即微流道的底面截面为下凹的圆弧形，且沿气流传输方向，圆弧的半径逐渐减小，并且两个微流道所对应的圆台的中轴线沿气流传输方向相交于一点；一级脊的形状为部分倒圆台，即一级脊的顶面截面为上凸的圆弧形，且沿气流传输方向，圆弧的半径逐渐增大；二级脊的形状为部分圆台，即二级脊的顶面截面为上凸的圆弧形，且沿气流传输方向，圆弧的半径逐渐减小，并且两个二级脊所对应的圆台的中轴线沿气流传输方向相交于一点；微流道对应的圆台、一级脊对应的倒圆台和二级脊对应的圆台的中心轴，均沿着气流传输方向逐渐升高，即中心轴与水平面具有倾斜角度β，从而使得迎风面具有倾斜角度，各个等级的仿生挡板的倾斜角度β一致；仿生挡板的迎风面形成的微流道、一级脊和二级脊以及倾斜角度构成仿鲨鱼表皮结构；仿生挡板的前面的底边与所在的变径螺线流道的宽度一致，微流道的起始端的圆弧的最低点与所在的变径螺线流道的底面重合，一级脊的末端的最高点不高于流场脊；仿生挡板关于一级脊的中心面为对称的结构，一级脊的中心面垂直于仿生挡板的前面；

燃料电池工作时，反应气体从进口进入，通过变径螺线流道传输反应气体，在每个等级的变径螺线流道内，反应气体匀速离开进口的同时又以恒定的角速度绕进口转动，同步叠加完成直线和旋转两种运动，保证反应气体匀速向出口方向定向传输，使反应气体沿气体传输方向得到均匀分配，提高反应气体分布的均匀性，进而使反应气体通过气体扩散层均匀进入催化剂层完成电化学反应；沿着气体传输方向，在变径螺线流道内从高等级向低等级传输的过程中，变径螺线流道的内侧逐级向外侧靠拢，使得螺线流道的宽度逐级减小，由于流道截面变小，传输相同流量的反应气体，下一等级螺线流道内的反应气体的流速较上一等级明显增大，在不增大额外压降的条件下，逐渐靠近出口处的反应气体仍能获得较大的速度，使反应气体在多等级的变径螺线流道内呈梯度快速传输，提升仿生流场的传质性能，从而提供较大流速的驱动力，在不增加压降的条件下，将反应生成的水及时快速的梯度排出电池；

反应气体在变径螺线流道传输的过程中遇到仿生挡板，仿生挡板的迎风面利用倾斜角度将反应气体通过扩散层定向输送至催化层，随着微流道的圆弧形的底面的升高，两侧的二级脊与中间的一级脊将反应气体聚拢在两个微流道内，两个微流道内的反应气体传输到催化层时汇聚到一起，使得催化层内的反应气体的流量和流速均明显增大，高效定向引导变径螺线流道内的反应气体到反应位点，加快反应位点的电化学反应速率，提高反应气体的利用率，同时增大的流速将反应生成的水快速排出，改善燃料电池的水管理；从进口到出口随着变径螺线流道的等级降低，不同等级的变径螺线流道之间的仿生挡板的密集度呈梯度降低，使得传输的反应气体流速逐级增大，并且压降基本不变，提高传质效率的同时降低燃料电池的泵送功率；当反应生成的水传输到仿生挡板的迎风面，而反应气体在微流道内传输，此时在其迎风面上形成微涡流减阻机制，显著降低流体与变径螺线流道和仿生挡板底面的摩擦阻力，这种减阻机制显著降低燃料电池的泵送功率，并提高传质和排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。

2.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述变径螺线流道的外侧轨迹满足极坐标方程：r＝K·α，其中，α为变径螺线流道外侧轨迹与进出口连线之间形成的角度，|K|的取值范围是2～4，即流道相邻外侧螺线间距为2～4mm，当K＞0时，变径螺线流道为顺时针方向，当K＜0时，变径螺线流道为逆时针方向。

3.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述变径螺线流道的各等级的宽度满足W_S(n-1)＝k_S·W_Sn，n＝2，…N，W_S(n-1)为变径螺线流道的第n-1等级的宽度，W_Sn为变径螺线流道的第n等级的宽度，k_S为变径螺线流道的梯度宽度比，1.1≤k_Z≤1.8；变径螺线流道的第一等级的宽度W_S1为1.0mm～3.0mm。

4.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述标记线满足正弦曲线y＝a·sin(x/b)，其中5mm≤a≤10mm，7≤b≤10，0≤x≤2bπ。

5.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述仿生挡板的倾斜角度β满足30°≤β≤60°。

6.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述各等级仿生挡板的微流道的圆台的下底与上底圆弧半径满足

其中，R_XM为微流道圆台的下底圆弧半径，R_SM为微流道圆台的上底圆弧半径；一级脊的倒圆台的下底与上底圆弧半径满足

其中，R_XJ1为一级脊倒圆台的下底圆弧半径，R_SJ1为一级脊倒圆台的上底圆弧半径；二级脊的圆台的下底与上底满足

其中，R_XJ2为二级脊倒圆台的下底圆弧半径，R_SJ2为二级脊倒圆台的上底圆弧半径。

7.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述两个二级脊所对应的圆台的中轴线的夹角为10°～30°。

8.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述两个二级脊所对应的圆台的中轴线的夹角为10°～30°。

9.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板主体的材料采用石墨、钛、铌、铝、铜和不锈钢中的一种。

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实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)燃料电池双极板设置：

a)提供双极板主体，双极板主体为圆形平面板，在双极板主体的中心开设有打通前表面和后表面的进口；

b)在双极板主体的前表面刻有以进口为中心顺时针或逆时针分布的变径螺线流道，变径螺线流道在沿气流传输方向上分为N个等级，各个等级的宽度沿气流传输方向呈梯度减小，各个等级的深度一致，N为≥3的自然数，在两个等级的变径螺线流道的临界处，变径螺线流道的外侧的螺线轨迹不变，内侧的螺线轨迹向外侧靠拢从而使变径螺线流道的宽度降低；各变径螺线流道之间为流场脊；

c)在双极板主体上且位于变径螺线流道的末端开设出口，出口连通至双极板主体的边缘；

d)设置作为标记用的多条标记线，每一条标记线以双极板主体的进口的中心为起点，终点位于双极板主体的边缘，形状为半个周期的正弦线，对于变径螺线流道为顺时针的螺线，标记线为0～π周期的正弦线，对于变径螺线流道为逆时针的螺线，标记线为π～2π周期的正弦线；多条标记线关于双极板主体的中心呈等夹角分布，标记线的数量为S，S为≥8的自然数，即相邻的两条标记线间的夹角为2π/S；

e)在变径螺线流道内设置多个仿生挡板，各个仿生挡板分布在标记线上，与变径螺线流道的等级相对应，在沿气流传输方向上分为N个等级，即各个等级的仿生挡板分布于同等级的变径螺线流道上；仿生挡板的迎风面形成仿鲨鱼表皮结构；

2)燃料电池工作时，反应气体从进口进入，通过变径螺线流道传输反应气体，在每个等级的变径螺线流道内，反应气体匀速离开进口的同时又以恒定的角速度绕进口转动，同步叠加完成直线和旋转两种运动，保证反应气体匀速向出口方向定向传输，使反应气体沿气体传输方向得到均匀分配，提高反应气体分布的均匀性，进而使反应气体通过气体扩散层均匀进入催化剂层完成电化学反应；

3)沿着气体传输方向，在变径螺线流道内从高等级向低等级传输的过程中，变径螺线流道的内侧逐级向外侧靠拢，使得螺线流道的宽度逐级减小，由于流道截面变小，传输相同流量的反应气体，下一等级螺线流道内的反应气体的流速较上一等级明显增大，在不增大额外压降的条件下，逐渐靠近出口处的反应气体仍能获得较大的速度，使反应气体在多等级的变径螺线流道内呈梯度快速传输，提升仿生流场的传质性能，从而提供较大流速的驱动力，在不增加压降的条件下，将反应生成的水及时快速的梯度排出电池；

4)反应气体在变径螺线流道传输的过程中遇到仿生挡板，仿生挡板的迎风面利用倾斜角度将反应气体通过扩散层定向输送至催化层，随着微流道的圆弧形的底面的升高，两侧的二级脊与中间的一级脊将反应气体聚拢在两个微流道内，两个微流道内的反应气体传输到催化层时汇聚到一起，使得催化层内的反应气体的流量和流速均明显增大，高效定向引导变径螺线流道内的反应气体到反应位点，加快反应位点的电化学反应速率，提高反应气体的利用率，同时增大的流速将反应生成的水快速排出，改善燃料电池的水管理；

5)从进口到出口随着变径螺线流道的等级降低，不同等级的变径螺线流道之间的仿生挡板的密集度呈梯度降低，使得传输的反应气体流速逐级增大，并且压降基本不变，提高传质效率的同时降低燃料电池的泵送功率；当反应生成的水传输到仿生挡板的迎风面，而反应气体在微流道内传输，此时在其迎风面上形成微涡流减阻机制，显著降低流体与变径螺线流道和仿生挡板底面的摩擦阻力，这种减阻机制显著降低燃料电池的泵送功率，并提高传质和排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。

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