CN115050985A - 具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池及其方法。本发明将圆环柱状的电堆设置在筒状的叶轮内并放置在筒状的密封蜗壳内，适用于无人机和无人潜器的柱形主体结构；采用阴极面和阳极面集中在同一块双极板上，阴极面采用仿荷叶的叶脉的网状脉分布形式，阳极面采用仿芭蕉叶的叶脉的分布形式，不但有利于气体的均匀扩散，使气体反应均匀，而且使带动叶轮的电机所消耗的寄生功率较小；并且，阴极面的圆柱阵列还形成了独立散热单元，而且有利于为气体提供增加流速的附加压强，增强了散热能力阴极板利用毛细管效应，有利于在阴极水较多的条件下将阴极水快速排出，防止电池被水淹；本发明适合在符合工况的设备中广泛推广。

Description

具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池及其方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术，具体涉及一种具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池及其实现方法。

背景技术

燃料电池是一种能将化学能转化为电能的电化学装置，其发电的本质是化学反应产生的化学电势推动电流做功，通过电堆各个电池内部的催化剂和质子膜，使氢气和氧气中的化学能转化为电能，同时产生水和热量。具有能量密度大，能量转换高、零排放、无机械噪声等优点，在军事和民用领域应用广泛。质子交换膜燃料电池以氢为燃料，多个电池单体串联或并联组成不同功率的电堆。

质子交换膜燃料电池按散热形式分，可以分为液冷型和空冷型，10kw以下低功率的一般为空冷型燃料电池，10kw以上一般为液冷型燃料电池。空冷型燃料电池是最早发展的燃料电池种类之一，当前空冷型燃料电池主要开放式结构，并利用风机为电池提供空气的同时将燃料电池内部的热量排出，整个燃料电池冷却系统和空气供给系统融合在一起，没有空压机和冷却水泵等辅助部件，阴极为开放式气体交换结构，因此整体结构比较简单，这样不仅降低了燃料电池系统的成本，还有效降低了燃料电池装置的寄生能耗。这种开放式空冷燃料电池的寄生能耗约占燃料电池系统输出功率的5％到10％。

目前，为了易于堆叠摆放，电堆都是方形的，适用于汽车、轮船等空间较大的移动平台。而针对特种工况下，如无人机、潜航器、特种机器人等结构主体为柱形，且对续航和瞬时高功率输出有着较高要求的平台设备，市场并没有研发相对应的电堆。电堆多为开放进气式，依靠热量，自由或强制空气对流，从一端进气，对极板进行冷却，阴极气体扩散不均匀，气体交换效率差，功率较低，严重影响限制了燃料电池的性能和应用场景。

发明内容

为了克服以上现有技术的不足，本发明提出了一种具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池及其实现方法，从而解决气体扩散不均匀，气体交换效率差，排水性能不佳，功率和功率密度较低的问题。

本发明的一个目的在于提出一种具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池。

本发明的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池包括：进气口、前固定板、电堆、电机、密封蜗壳、叶轮、后固定板和出风口；其中，密封蜗壳为没有上底且具有下底的筒状结构；在密封蜗壳的侧壁上沿着与轴线平行的方向设置有出风口；在密封蜗壳内同轴设置叶轮，叶轮为没有上底且具有下底的筒状结构；在叶轮内的底部同轴设置后固定板，后固定板为圆形的平板结构；在后固定板的中心设置电机；电机的传动轴固定连接至叶轮的底面中心；圆环柱状的电堆同轴安装在叶轮内；在叶轮的顶部同轴连接前固定板，在电堆的周围沿轴向均匀分布多个长螺杆，长螺杆的前端固定连接前固定板，长螺杆的后端固定连接后固定板，从而将电堆固定安装在前固定板与后固定板之间；密封蜗壳的前端固定安装在前固定板的边缘；在前固定板的中心设置有通孔，在通孔上设置有进气口；

进气口沿气流传输方向的截面面积随气流传输方向逐渐变小，即进气口的前端口面积大，后端口面积小；

电堆包括依次同轴堆叠在一起的多个单电池；每一个单电池从前至后依次包括双极板、阳极扩散层、质子膜和阴极扩散层，每一个单电池的形状为圆环形，从而多个单电池堆叠形成的电堆的形状为圆环柱状，内部具有柱状空间；其中，双极板采用形状为圆环形的平板状的基板，双极板的前表面即朝向前一个单电池的阴极扩散层的一面为阴极面，后表面即朝向阳极扩散层的一面为阳极面；

阴极面采用仿荷叶的叶脉的网状脉分布形式；在圆环形的平板状的基板的前表面上，模拟网状脉设置有圆柱阵列，构成网状流道；在圆环形的平板状的基板的前表面的内边缘和外边缘分别开设有圆环形的内扩散流道和外扩散流道；在内扩散流道与外扩散流道之间的网状流道被一级流道至M级流道分割，网状流道与一级流道至M级流道共同构成阴极流道网，在内扩散流道的外边缘刻有多条沿径向且呈中心对称分布的一级流道，一级流道连通内扩散流道，在每条i-1级流道的末端刻有连通的两条i级流道，两条i级流道分别与所对应的i-1级流道有夹角且关于i-1级流道对称分布，M级流道的末端连通至外扩散流道的内边缘，2≤i≤M，M为≥2的自然数，i-1级流道的宽度小于i级流道的宽度；

阳极面采用仿芭蕉叶的叶脉的分布形式；在圆环形的平板状的基板的后表面上，圆环形的平板状的基板的后表面的内边缘和外边缘分别具有圆环形的内非流道区域和外非流道区域，统称为接触区；在内非流道区域的外边缘和在外非流道区域的内边缘，分别刻有圆环形的内集气流道和外集气流道；在阳极面上分别开设有贯穿双极板的阳极面和阴极面的呈中心对称的N个进气孔和N个出气孔，且进气孔和出气孔交错排列，沿着出气孔所在的径向设置有主集气流道，主集气流道与沿着进气孔所在的径向将内集气流道与外集气流道之间划分成关于中心对称的2N个阳极子区域，N为≥1的自然数；在每一个阳极子区域中，进气孔和出气孔分别位于阳极子区域的两侧边缘，进气孔和出气孔分别距离内非流道区域和外非流道区域有距离且距圆心的距离相等，相邻的阳极子区域共用同一个进气孔或出气孔，所有各个单电池的双极板相对应的出气孔连通，所有各个单电池的双极板相对应的进气孔连通；在每一个阳极子区域内，在进气孔与出气孔之间刻有连通进气孔与出气孔的主流道，主流道的中心线为圆弧，主流道的宽度由进气孔至出气孔逐渐减小；在主流道与内集气流道和外集气流道之间分别刻有内支流道和外支流道，内支流道和外支流道的宽度从主流道分别至内集气流道和外集气流道的宽度逐渐变窄，各条内集气流道的中心线互相平行，各条外集气流道的中心线互相平行，内支流道和外支流道之间有夹角，夹角为60°～120°；主流道的宽度大于内支流道和外支流道的宽度；在前固定板上，对应双极板的进气孔的位置开设有氢气入口，氢气入口连通至双极板的进气孔；在前固定板上，对应双极板的出气孔的位置开设有氢气出口，氢气出口连通至双极板的出气孔；

空气从进气口进入至燃料电池的密封蜗壳内的阴极面，同时氢气从氢气入口经氢气入口进入燃料电池的密封蜗壳内的阳极面，电机带动叶轮旋转；空气进入电池的方式是模仿肺部的进气模式，空气在进气口被压缩，获得更大的流速通过燃料电池；电机带动叶轮旋转，叶轮为空气提供附加动力，使得空气加速体积膨胀，空气快速通过电堆；

空气进入至密封蜗壳内后，进入至圆环柱状的电堆内的柱状空间，至电堆内的每一个单电池的阴极面，通过内扩散流道传输至一级流道，少量空气进入一级流道附近区域的网状流道，在网状流道内扩散，多数空气通过一级流道运输，分别依次进入更窄的二级流道，直至M级流道，扩散到阴极流道网边缘的外扩散流道；在扩散的同时空气流速更大，以适应随着径向运输单位长度增大对应单电池的双极板面积增大的情况；空气在阴极流道网均匀扩散的同时，向前一个单电池的阴极扩散层扩散，空气扩散至阴极扩散层的区域构成反应区域，空气中的氧气参加反应，生成阴极水，空气中未参与反应的气体带走生成的阴极水和热量，最终从出风口排出；

当生成的阴极水的水量较少时，阴极水集聚在阴极流道网的底部，在底部形成一层液态的水膜，水膜与空气形成液气混合相，空气均匀的在阴极流道网内形成流场，有利于反应的进行，同时保证较小的寄生阻力；

当生成的阴极水的水量过大时，阴极流道网的一级至M级流道的宽度逐级减小，附加压强产生毛细管效应，自动地配合气流沿径向将空气中未参与反应的气体排出，进一步在叶轮的动力作用下，阴极水会随着气体的运输方向进一步地向径向运输，最终从位于密封蜗壳的侧壁上的出风口排出，防止电堆水淹；同时在散热方面，在整块反应区域热量均匀的产生，传递至阴极面的热量聚集在圆柱阵列的表面，由于圆柱阵列的均匀排布，热量均匀聚集在阴极面的表面，圆柱阵列加大了散热面积；进一步，传递至阴极面的热量传递给空气中未参加反应的气体，空气中未参加反应的气体包括空气中不参加反应的气体和未及时参与反应的氧气，空气中的氧气在传输的过程中参与反应逐渐被消耗，空气中未参加反应的气体沿一级至M级运输的过程中，流道的宽度变窄，但是热量积累的更多，热量促使空气中未参加反应的气体膨胀，使空气中未参加反应的气体在有限的空间内压强增大，加速从出风口排出，使得密封蜗壳内的气压变小，与密封蜗壳外造成压强差，加快空气从进气口进入，从而热量为通过进气口进入的空气提供额外的附加压强，加快了空气的流速，提高空气交换效率，有利于空气快速带走热量；

氢气通过进气孔进入阳极面，通过主流道传输至内支流道和外支流道，由于主流道的宽度逐渐减小，内和外支流道也逐渐变窄，根据伯努利定律，氢气快速均匀地扩散到阳极面的每一个阳极子区域；大部分氢气扩散至阳极扩散层参加反应，少部分未反应的氢气汇集到内和外集气流道，由出气孔传输至下一个单电池的阳极面，最终剩余的氢气从出气口排出；当设置于电堆之间的温度传感器检测到电池温度过高时，控制叶轮转速加快，使空气在阴极流道网流速加快，同时控制减少氢气进入，由于氢气进入量减小，而主流道、内和外支流道的氢气消耗速度反而随着阴极流道网空气流速加快而加快，所以主流道以及内和外支流道的氢气被快速消耗，缺少可供反应的氢气，使反应减慢，生成阴极水的速度减慢，但叶轮转速加快，使得阴极流道网的气体流速加快，快速带走热量和残留在阴极面的阴极水。

叶轮包括：固定板、扇叶和固定环；其中，固定板为垂直于密封蜗壳的轴线的平板；多片均匀分布的扇叶的底端安装在固定板的内表面边缘，每片扇叶平行于密封蜗壳的轴线的平板；多片扇叶的顶端通过固定环安装固定；固定环通过轴承安装在前固定板的后表面，从而固定环能够随着叶轮一同转动，而前固定板固定在密封蜗壳上保持不动；固定板的中心设置有轴槽，电机的传动轴固定安装在固定板的轴槽中。

前固定板、后固定板和密封蜗壳采用热塑性聚亚酰胺、聚醚醚酮、聚四氟乙烯和硅橡胶中的一种，为固定模具内注塑成型，具有良好的物理机械性能，绝缘性能和耐热性性，保证在反应时不因为电池产热和电压影响电池壳体的性能。

电堆中相邻的单电池通过接触区粘接在一起；电堆的外边缘通过沿外边缘均匀分布的多根螺杆紧固密封。

双极板的基板采用石墨、金属和复合材料中的一种。

阴极面的圆柱阵列的圆柱的直径为2～4mm，间距为3～5mm，高度为2～3mm。

阴极面一级流道宽为2～5mm，相邻一级流道的夹角为360°/P，一级流道的数量P满足15≤P≤25，阴极面的一级至M级流道的宽度逐级减小，满足i-1级流道的宽度的立方等于i级流道宽度的立方的两倍。两条i级流道之间的夹角为20～50°。内扩散流道与外扩散流道的宽度3～7mm。

阳极面的主流道位于进气孔的宽度为6～10mm，主流道位于出气孔的宽度为1～4mm；进气孔和出气孔的直径为3～7mm；内外支流道和外支流道的宽度为1～4mm；内集气流道和外集气流道的宽度为2～5mm，主集气流道的宽度为4～10mm，内非流道区和外非流道区的宽度为2～10mm。

本发明的另一个目的在于提出一种具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池的实现方法。

本发明的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池的实现方法，包括以下步骤：

1)空气从进气口进入至燃料电池的密封蜗壳内的阴极面，同时氢气从氢气入口经氢气入口进入燃料电池的密封蜗壳内的阳极面，电机带动叶轮旋转；空气进入电池的方式是模仿肺部的进气模式，空气在进气口被压缩，获得更大的流速通过燃料电池；

电机带动叶轮旋转，叶轮为空气提供附加动力，使得空气加速体积膨胀，空气快速通过电堆；

2)空气进入至密封蜗壳内后，进入至圆环柱状的电堆内的柱状空间，至电堆内的每一个单电池的阴极面，通过内扩散流道传输至一级流道，少量空气进入一级流道附近区域的网状流道，在网状流道内扩散，多数空气通过一级流道运输，分别依次进入更窄的二级流道，直至M级流道，扩散到阴极流道网边缘的外扩散流道；在扩散的同时空气流速更大，以适应随着径向运输单位长度增大对应单电池的双极板面积增大的情况；空气在阴极流道网均匀扩散的同时，向前一个单电池的阴极扩散层扩散，空气扩散至阴极扩散层的区域构成反应区域，空气中的氧气参加反应，生成阴极水，空气中未参与反应的气体带走生成的阴极水和热量，最终从出风口排出；

3)当生成的阴极水的水量较少时，阴极水集聚在阴极流道网的底部，在底部形成一层液态的水膜，水膜与空气形成液气混合相，空气均匀的在阴极流道网内形成流场，有利于反应的进行，同时保证较小的寄生阻力；

4)当生成的阴极水的水量过大时，阴极流道网的一级至M级流道的宽度逐级减小，附加压强产生毛细管效应，自动地配合气流沿径向将空气中未参与反应的气体排出，进一步在叶轮的动力作用下，阴极水会随着气体的运输方向进一步地向径向运输，最终从位于密封蜗壳的侧壁上的出风口排出，防止电堆水淹；同时在散热方面，在整块反应区域热量均匀的产生，传递至阴极面的热量聚集在圆柱阵列的表面，由于圆柱阵列的均匀排布，热量均匀聚集在阴极面的表面，圆柱阵列加大了散热面积；

进一步，传递至阴极面的热量传递给空气中未参加反应的气体，空气中未参加反应的气体包括空气中不参加反应的气体和未及时参与反应的氧气，空气中的氧气在传输的过程中参与反应逐渐被消耗，空气中未参加反应的气体沿一级至M级运输的过程中，流道的宽度变窄，但是热量积累的更多，热量促使空气中未参加反应的气体膨胀，使空气中未参加反应的气体在有限的空间内压强增大，加速从出风口排出，使得密封蜗壳内的气压变小，与密封蜗壳外造成压强差，加快空气从进气口进入，从而热量为通过进气口进入的空气提供额外的附加压强，加快了空气的流速，提高空气交换效率，有利于空气快速带走热量；

5)氢气通过进气孔进入阳极面，通过主流道传输至内支流道和外支流道，由于主流道的宽度逐渐减小，内和外支流道也逐渐变窄，根据伯努利定律，氢气快速均匀地扩散到阳极面的每一个阳极子区域；大部分氢气扩散至阳极扩散层参加反应，少部分未反应的氢气汇集到内和外集气流道，由出气孔传输至下一个单电池的阳极面，最终剩余的氢气从出气口排出；当设置于电堆之间的温度传感器检测到电池温度过高时，控制叶轮转速加快，使空气在阴极流道网流速加快，同时控制减少氢气进入，由于氢气进入量减小，而主流道、内和外支流道的氢气消耗速度反而随着阴极流道网空气流速加快而加快，所以主流道以及内和外支流道的氢气被快速消耗，缺少可供反应的氢气，使反应减慢，生成阴极水的速度减慢，但叶轮转速加快，使得阴极流道网的气体流速加快，快速带走热量和残留在阴极面的阴极水。

本发明的优点：

(1)本发明整体采取圆柱形封闭结构，适用于无人机和无人潜器的柱形主体结构，将主动进气的叶轮包围电堆外侧放置，并不额外占用整体形状的空间，充分利用空间，提高单位体积的功率；

(2)阴极面和阳极面集中在同一块双极板上，方便制造与更换；

(3)阴极面采用荷叶仿生设计，阳极面采用芭蕉叶仿生设计，不但有利于气体的均匀扩散，使气体反应均匀，而且使带动叶轮的电机所消耗的寄生功率较小；

(4)阴极面采用仿生均热板设计，使热量散发均匀不会聚集，不仅电池双极板阴极面的阴极流道网形成了空气导热的通路，圆柱阵列还形成了独立散热单元，增大了热量传递的接触面积，有利于为气体提供增加流速的附加压强，增强了散热能力；

(5)阴极板利用毛细管效应，有利于在阴极水较多的条件下将阴极水快速排出，防止电池被水淹；

(6)本发明适合在符合工况的设备中广泛推广。

附图说明

图1为本发明的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池的一个实施例的外观示意图；

图2为本发明的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池的一个实施例的爆炸图；

图3为本发明的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池的一个实施例的单电池的爆炸图；

图4为本发明的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池的一个实施例的阴极面的正视图；

图5为本发明的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池的一个实施例的阴极面的局部放大图；

图6为本发明的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池的一个实施例的阳极面的正视图；

图7为本发明的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池的一个实施例的剖面图。

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和2所示，本实施例的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池包括：进气口1、前固定板2、电堆3、电机4、密封蜗壳5、叶轮7、后固定板8和出风口6；其中，密封蜗壳5为没有上底且具有下底的筒状结构；在密封蜗壳5的侧壁上沿着与轴线平行的方向设置有出风口6；在密封蜗壳5内同轴设置叶轮7，叶轮7为没有上底且具有下底的筒状结构；在叶轮7内的底部同轴设置后固定板8，后固定板8为圆形的平板结构；在后固定板8的中心设置电机4；电机4的传动轴固定连接至叶轮7的底面中心；圆环柱状的电堆3同轴安装在叶轮7内；在叶轮7的顶部同轴连接前固定板2，在电堆3的周围沿轴向均匀分布多个长螺杆13，长螺杆13的前端固定连接前固定板2，长螺杆的后端固定连接后固定板8，从而将电堆3固定安装在前固定板2与后固定板8之间；密封蜗壳5的前端固定安装在前固定板2的边缘；在前固定板2的中心设置有通孔，在通孔上设置有进气口1；

进气口1沿气流传输方向的截面面积随气流传输方向逐渐变小，即进气口的前端口面积大，后端口面积小，为喇叭形或漏斗形；

如图3所示，电堆包括依次同轴堆叠在一起的多个单电池；每一个单电池从前至后依次包括双极板9、阳极扩散层10、质子膜11和阴极扩散层12，每一个单电池的形状为圆环形，从而多个单电池堆叠形成的电堆的形状为圆环柱状，内部具有柱状空间；其中，双极板采用形状为圆环形的平板状的基板，双极板的前表面即朝向前一个单电池的阴极扩散层的一面为阴极面，后表面即朝向阳极扩散层的一面为阳极面；

如图4所示，阴极面采用仿荷叶的叶脉的网状脉分布形式；在圆环形的平板状的基板的前表面上，如图5所示，模拟网状脉设置有圆柱阵列21，构成网状流道；在圆环形的平板状的基板的前表面的内边缘和外边缘分别开设有圆环形的内扩散流道22和外扩散流道23；在内扩散流道与外扩散流道之间的网状流道被一级流24、二级流道25和三级流道26分割，网状流道与一级流道至三级流道共同构成阴极流道网，在内扩散流道的外边缘刻有多条沿径向且呈中心对称分布的一级流道，一级流道的数量为二十条，一级流道连通内扩散流道，在每条一级流道的末端刻有连通的两条二级流道，两条二级流道分别与一级流道有夹角且关于一级流道对称分布，在每条二级流道的末端刻有连通的两条三级流道，两条三级流道分别与二级流道有夹角且关于二级流道对称分布，三级流道的末端连通至外扩散流道的内边缘，两条二级流道之间的夹角为30°，两条三级流道之间的夹角为30°；

如图6所示，阳极面采用仿芭蕉叶的叶脉的分布形式；在圆环形的平板状的基板的后表面上，圆环形的平板状的基板的后表面的内边缘和外边缘分别具有圆环形的内非流道区域31和外非流道区域32，统称为接触区；在内非流道区域的外边缘和在外非流道区域的内边缘，分别刻有圆环形的内集气流道33和外集气流道34；在阳极面上分别开设有贯穿双极板的阳极面和阴极面的呈中心对称的两个进气孔35和两个出气孔36，且进气孔和出气孔交错排列，沿着出气孔所在的径向设置有主集气流道37，主集气流道与沿着进气孔所在的径向将内集气流道与外集气流道之间划分成关于中心对称的四个阳极子区域；在每一个阳极子区域中，进气孔和出气孔分别位于阳极子区域的两侧边缘，进气孔和出气孔分别距离内非流道区域和外非流道区域有距离且距圆心的距离相等，相邻的阳极子区域共用同一个进气孔或出气孔，所有各个单电池的双极板相对应的出气孔连通，所有各个单电池的双极板相对应的进气孔连通；在进气孔与出气孔之间刻有连通进气孔与出气孔的主流道38，主流道的中心线为圆弧，主流道的宽度由进气孔至出气孔逐渐减小；在主流道与内集气流道和外集气流道之间分别刻有内支流道39和外支流道40，各条内集气流道之间互相平行，各条外集气流道之间互相平行，内支流道和外支流道之间有夹角，夹角为90°；主流道的宽度大于内支流道和外支流道的宽度；在前固定板上，对应双极板的进气孔的位置开设有氢气入口，氢气入口连通至双极板的进气孔；在前固定板上，对应双极板的出气孔的位置开设有氢气出口，氢气出口连通至双极板的出气孔。

具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池的剖面图如图7所示。

叶轮包括：固定板、扇叶和固定环；其中，固定板为垂直于密封蜗壳的轴线的平板；多片均匀分布的扇叶的底端安装在固定板的内表面边缘，每片扇叶平行于密封蜗壳的轴线的平板；多片扇叶的顶端通过固定环安装固定；固定环的外表面通过轴承安装前固定板；固定板的中心设置有轴槽，电机的传动轴固定安装在固定板的轴槽中。

本实施例中，阴极面的圆柱阵列的圆柱的直径为3mm，间距为2mm，高度为2mm；阴极面的一级流道宽为3mm，一级流道的宽度的立方等于二级流道宽度的立方的两倍，二级流道的宽度的立方等于三级流道宽度的立方的两倍；阳极面的主流道位于进气孔处宽度为6mm，主流道位于出气孔处的宽度为2mm；内和外支流道的宽度为2mm；内和外集气流道的宽度为2.5mm，主集气流道的宽度为6mm，内非流道区和外非流道区的宽度为5mm；前固定板、后固定板和密封蜗壳采用热塑性聚亚酰胺；叶轮为加厚镀锌不锈钢板冲压各个零件后通过双排锅钉机械铆接固定，保证了良好的物理机械性能和耐腐蚀性；双极板采用石墨材质压模成型后高精度数控机床加工而成，保证了流道的光滑性和耐腐蚀性；阳极扩散层和阴极扩散层由多孔碳纤维基底如碳纸或碳布经过裁剪而成；叶轮为加厚镀锌不锈钢板冲压各个零件后通过双排锅钉机械铆接固定，保证了良好的物理机械性能和耐腐蚀性；质子交换膜为经过裁剪而成，在与阴极和阳极扩散层接触的表面镀纳米Pt合金保证催化作用。

本实施例的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池的实现方法，包括以下步骤：

1)空气从进气口进入至燃料电池的密封蜗壳内的阴极面，同时氢气从氢气入口经氢气入口进入燃料电池的密封蜗壳内的阳极面，电机带动叶轮旋转；空气进入电池的方式是模仿肺部的进气模式，空气在进气口被压缩，获得更大的流速通过燃料电池；

电机带动叶轮旋转，叶轮为空气提供附加动力，使得空气加速体积膨胀，空气快速通过电堆；

2)空气进入至密封蜗壳内后至双极板的阴极面，少量空气进入一级流道附近区域的网状流道，在网状流道内扩散，多数空气通过一级流道运输，分别依次进入更窄的二级流道至三级流道，扩散到阴极流道网边缘的外扩散流道；在扩散的同时空气流速更大，以适应随着径向运输单位长度增大对应单电池的双极板面积增大的情况；空气在阴极流道网均匀扩散的同时，向前一个单电池的阴极扩散层扩散，空气扩散至阴极扩散层的区域构成反应区域，空气中的氧气参加反应，生成阴极水，空气中未参与反应的气体带走生成的阴极水和热量，最终从出风口排出；

6)当生成的阴极水的水量较少时，阴极水集聚在阴极流道网的底部，在底部形成一层液态的水膜，水膜与空气形成液气混合相，空气均匀的在阴极流道网内形成流场，有利于反应的进行，同时保证较小的寄生阻力；

7)当生成的阴极水的水量过大时，阴极流道网的一级至三级流道的宽度逐级减小，附加压强产生毛细管效应，自动地配合气流沿径向将空气中未参与反应的气体排出，进一步在叶轮的动力作用下，阴极水会随着气体的运输方向进一步地向径向运输，最终从位于密封蜗壳的侧壁上的出风口排出，防止电堆水淹；同时在散热方面，在整块反应区域热量均匀的产生，传递至阴极面的热量聚集在圆柱阵列的表面，由于圆柱阵列的均匀排布，热量均匀聚集在阴极面的表面，圆柱阵列加大了散热面积；进一步，传递至阴极面的热量传递给空气中未参加反应的气体，空气中未参加反应的气体包括空气中不参加反应的气体和未及时参与反应的氧气，空气中的氧气在传输的过程中参与反应逐渐被消耗，空气中未参加反应的气体沿一级至三级运输的过程中，流道的宽度变窄，但是热量积累的更多，热量促使空气中未参加反应的气体膨胀，使空气中未参加反应的气体在有限的空间内压强增大，加速从出风口排出，使得密封蜗壳内的气压变小，与密封蜗壳外造成压强差，加快空气从进气口进入，从而热量为通过进气口进入的空气提供额外的附加压强，加快了空气的流速，提高空气交换效率，有利于空气快速带走热量；

3)氢气通过进气孔进入阳极面，通过主流道传输至内支流道和外支流道，由于主流道的宽度逐渐减小，内和外支流道也逐渐变窄，根据伯努利定律，氢气快速均匀地扩散到阳极面的每一个阳极子区域；大部分氢气扩散至阳极扩散层参加反应，少部分未反应的氢气汇集到内和外集气流道，由出气孔传输至下一个单电池的阳极面，最终剩余的氢气从出气口排出；当设置于电堆之间的温度传感器检测到电池温度过高时，控制叶轮转速加快，使空气在阴极流道网流速加快，同时控制减少氢气进入，由于氢气进入量减小，而主流道、内和外支流道的氢气消耗速度反而随着阴极流道网空气流速加快而加快，所以主流道以及内和外支流道的氢气被快速消耗，缺少可供反应的氢气，使反应减慢，生成阴极水的速度减慢，但叶轮转速加快，使得阴极流道网的气体流速加快，快速带走热量和残留在阴极面的阴极水。

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 (9)

1.一种具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池，其特征在于，所述具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池包括：进气口、前固定板、电堆、电机、密封蜗壳、叶轮、后固定板和出风口；其中，密封蜗壳为没有上底且具有下底的筒状结构；在密封蜗壳的侧壁上沿着与轴线平行的方向设置有出风口；在密封蜗壳内同轴设置叶轮，叶轮为没有上底且具有下底的筒状结构；在叶轮内的底部同轴设置后固定板，后固定板为圆形的平板结构；在后固定板的中心设置电机；电机的传动轴固定连接至叶轮的底面中心；圆环柱状的电堆同轴安装在叶轮内；在叶轮的顶部同轴连接前固定板，在电堆的周围沿轴向均匀分布多个长螺杆，长螺杆的前端固定连接前固定板，长螺杆的后端固定连接后固定板，从而将电堆固定安装在前固定板与后固定板之间；密封蜗壳的前端固定安装在前固定板的边缘；在前固定板的中心设置有通孔，在通孔上设置有进气口；

进气口沿气流传输方向的截面面积随气流传输方向逐渐变小，即进气口的前端口面积大，后端口面积小；

电堆包括依次同轴堆叠在一起的多个单电池；每一个单电池从前至后依次包括双极板、阳极扩散层、质子膜和阴极扩散层，每一个单电池的形状为圆环形，从而多个单电池堆叠形成的电堆的形状为圆环柱状，内部具有柱状空间；其中，双极板采用形状为圆环形的平板状的基板，双极板的前表面即朝向前一个单电池的阴极扩散层的一面为阴极面，后表面即朝向阳极扩散层的一面为阳极面；

阴极面采用仿荷叶的叶脉的网状脉分布形式；在圆环形的平板状的基板的前表面上，模拟网状脉设置有圆柱阵列，构成网状流道；在圆环形的平板状的基板的前表面的内边缘和外边缘分别开设有圆环形的内扩散流道和外扩散流道；在内扩散流道与外扩散流道之间的网状流道被一级流道至M级流道分割，网状流道与一级流道至M级流道共同构成阴极流道网，在内扩散流道的外边缘刻有多条沿径向且呈中心对称分布的一级流道，一级流道连通内扩散流道，在每条i-1级流道的末端刻有连通的两条i级流道，两条i级流道分别与所对应的i-1级流道有夹角且关于i-1级流道对称分布，M级流道的末端连通至外扩散流道的内边缘，2≤i≤M，M为≥2的自然数，i-1级流道的宽度小于i级流道的宽度；

阳极面采用仿芭蕉叶的叶脉的分布形式；在圆环形的平板状的基板的后表面上，圆环形的平板状的基板的后表面的内边缘和外边缘分别具有圆环形的内非流道区域和外非流道区域，统称为接触区；在内非流道区域的外边缘和在外非流道区域的内边缘，分别刻有圆环形的内集气流道和外集气流道；在阳极面上分别开设有贯穿双极板的阳极面和阴极面的呈中心对称的N个进气孔和N个出气孔，且进气孔和出气孔交错排列，沿着出气孔所在的径向设置有主集气流道，主集气流道与沿着进气孔所在的径向将内集气流道与外集气流道之间划分成关于中心对称的2N个阳极子区域，N为≥1的自然数；在每一个阳极子区域中，进气孔和出气孔分别位于阳极子区域的两侧边缘，进气孔和出气孔分别距离内非流道区域和外非流道区域有距离且距圆心的距离相等，相邻的阳极子区域共用同一个进气孔或出气孔，所有各个单电池的双极板相对应的出气孔连通，所有各个单电池的双极板相对应的进气孔连通；在每一个阳极子区域内，在进气孔与出气孔之间刻有连通进气孔与出气孔的主流道，主流道的中心线为圆弧，主流道的宽度由进气孔至出气孔逐渐减小；在主流道与内集气流道和外集气流道之间分别刻有内支流道和外支流道，内支流道和外支流道的宽度从主流道分别至内集气流道和外集气流道的宽度逐渐变窄，各条内集气流道的中心线互相平行，各条外集气流道的中心线互相平行，内支流道和外支流道之间有夹角；主流道的宽度大于内支流道和外支流道的宽度；在前固定板上，对应双极板的进气孔的位置开设有氢气入口，氢气入口连通至双极板的进气孔；在前固定板上，对应双极板的出气孔的位置开设有氢气出口，氢气出口连通至双极板的出气孔；

空气从进气口进入至燃料电池的密封蜗壳内的阴极面，同时氢气从氢气入口经氢气入口进入燃料电池的密封蜗壳内的阳极面，电机带动叶轮旋转；空气进入电池的方式是模仿肺部的进气模式，空气在进气口被压缩，获得更大的流速通过燃料电池；电机带动叶轮旋转，叶轮为空气提供附加动力，使得空气加速体积膨胀，空气快速通过电堆；

空气进入至密封蜗壳内后，进入至圆环柱状的电堆内的柱状空间，至电堆内的每一个单电池的阴极面，通过内扩散流道传输至一级流道，少量空气进入一级流道附近区域的网状流道，在网状流道内扩散，多数空气通过一级流道运输，分别依次进入更窄的二级流道，直至M级流道，扩散到阴极流道网边缘的外扩散流道；在扩散的同时空气流速更大，以适应随着径向运输单位长度增大对应单电池的双极板面积增大的情况；空气在阴极流道网均匀扩散的同时，向前一个单电池的阴极扩散层扩散，空气扩散至阴极扩散层的区域构成反应区域，空气中的氧气参加反应，生成阴极水，空气中未参与反应的气体带走生成的阴极水和热量，最终从出风口排出；

当生成的阴极水的水量较少时，阴极水集聚在阴极流道网的底部，在底部形成一层液态的水膜，水膜与空气形成液气混合相，空气均匀的在阴极流道网内形成流场，有利于反应的进行，同时保证较小的寄生阻力；

当生成的阴极水的水量过大时，阴极流道网的一级至M级流道的宽度逐级减小，附加压强产生毛细管效应，自动地配合气流沿径向将空气中未参与反应的气体排出，进一步在叶轮的动力作用下，阴极水会随着气体的运输方向进一步地向径向运输，最终从位于密封蜗壳的侧壁上的出风口排出，防止电堆水淹；同时在散热方面，在整块反应区域热量均匀的产生，传递至阴极面的热量聚集在圆柱阵列的表面，由于圆柱阵列的均匀排布，热量均匀聚集在阴极面的表面，圆柱阵列加大了散热面积；进一步，传递至阴极面的热量传递给空气中未参加反应的气体，空气中未参加反应的气体包括空气中不参加反应的气体和未及时参与反应的氧气，空气中的氧气在传输的过程中参与反应逐渐被消耗，空气中未参加反应的气体沿一级至M级运输的过程中，流道的宽度变窄，但是热量积累的更多，热量促使空气中未参加反应的气体膨胀，使空气中未参加反应的气体在有限的空间内压强增大，加速从出风口排出，使得密封蜗壳内的气压变小，与密封蜗壳外造成压强差，加快空气从进气口进入，从而热量为通过进气口进入的空气提供额外的附加压强，加快了空气的流速，提高空气交换效率，有利于空气快速带走热量；

氢气通过进气孔进入阳极面，通过主流道传输至内支流道和外支流道，由于主流道的宽度逐渐减小，内和外支流道也逐渐变窄，根据伯努利定律，氢气快速均匀地扩散到阳极面的每一个阳极子区域；大部分氢气扩散至阳极扩散层参加反应，少部分未反应的氢气汇集到内和外集气流道，由出气孔传输至下一个单电池的阳极面，最终剩余的氢气从出气口排出；当设置于电堆之间的温度传感器检测到电池温度过高时，控制叶轮转速加快，使空气在阴极流道网流速加快，同时控制减少氢气进入，由于氢气进入量减小，而主流道、内和外支流道的氢气消耗速度反而随着阴极流道网空气流速加快而加快，所以主流道以及内和外支流道的氢气被快速消耗，缺少可供反应的氢气，使反应减慢，生成阴极水的速度减慢，但叶轮转速加快，使得阴极流道网的气体流速加快，快速带走热量和残留在阴极面的阴极水。

2.如权利要求1所述的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池，其特征在于，所述叶轮包括：固定板、扇叶和固定环；其中，固定板为垂直于密封蜗壳的轴线的平板；多片均匀分布的扇叶的底端安装在固定板的内表面边缘，每片扇叶平行于密封蜗壳的轴线的平板；多片扇叶的顶端通过固定环安装固定；固定环通过轴承安装在前固定板的后表面，从而固定环能够随着叶轮一同转动，而前固定板固定在密封蜗壳上保持不动；固定板的中心设置有轴槽，电机的传动轴固定安装在固定板的轴槽中。

3.如权利要求1所述的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池，其特征在于，所述前固定板、后固定板和密封蜗壳采用热塑性聚亚酰胺、聚醚醚酮、聚四氟乙烯和硅橡胶中的一种。

4.如权利要求1所述的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池，其特征在于，所述电堆中相邻的单电池通过接触区粘接在一起。

5.如权利要求1所述的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池，其特征在于，所述双极板的基板采用石墨、金属和复合材料中的一种。

6.如权利要求1所述的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池，其特征在于，所述阴极面的圆柱阵列的圆柱的直径为2～4mm，间距为3～5mm，高度为2～3mm。

7.如权利要求1所述的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池，其特征在于，所述阴极面的一级流道宽为2～5mm，相邻一级流道的夹角为360°/P，一级流道的数量P满足15≤P≤25。

8.如权利要求1所述的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池，其特征在于，所述阳极面的主流道位于进气孔的宽度为6～10mm，主流道位于出气孔的宽度为1～4mm；进气孔和出气孔的直径为3～7mm；内外支流道和外支流道的宽度为1～4mm；内集气流道和外集气流道的宽度为2～5mm，主集气流道的宽度为4～10mm，内非流道区和外非流道区的宽度为2～10mm。

9.一种如权利要求1所述的具有肺进气方式的叶脉流道仿生空冷型燃料电池的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)空气从进气口进入至燃料电池的密封蜗壳内的阴极面，同时氢气从氢气入口经氢气入口进入燃料电池的密封蜗壳内的阳极面，电机带动叶轮旋转；空气进入电池的方式是模仿肺部的进气模式，空气在进气口被压缩，获得更大的流速通过燃料电池；电机带动叶轮旋转，叶轮为空气提供附加动力，使得空气加速体积膨胀，空气快速通过电堆；

2)空气进入至密封蜗壳内后，进入至圆环柱状的电堆内的柱状空间，至电堆内的每一个单电池的阴极面，通过内扩散流道传输至一级流道，少量空气进入一级流道附近区域的网状流道，在网状流道内扩散，多数空气通过一级流道运输，分别依次进入更窄的二级流道，直至M级流道，扩散到阴极流道网边缘的外扩散流道；在扩散的同时空气流速更大，以适应随着径向运输单位长度增大对应单电池的双极板面积增大的情况；空气在阴极流道网均匀扩散的同时，向前一个单电池的阴极扩散层扩散，空气扩散至阴极扩散层的区域构成反应区域，空气中的氧气参加反应，生成阴极水，空气中未参与反应的气体带走生成的阴极水和热量，最终从出风口排出；

3)当生成的阴极水的水量较少时，阴极水集聚在阴极流道网的底部，在底部形成一层液态的水膜，水膜与空气形成液气混合相，空气均匀的在阴极流道网内形成流场，有利于反应的进行，同时保证较小的寄生阻力；

4)当生成的阴极水的水量过大时，阴极流道网的一级至M级流道的宽度逐级减小，附加压强产生毛细管效应，自动地配合气流沿径向将空气中未参与反应的气体排出，进一步在叶轮的动力作用下，阴极水会随着气体的运输方向进一步地向径向运输，最终从位于密封蜗壳的侧壁上的出风口排出，防止电堆水淹；同时在散热方面，在整块反应区域热量均匀的产生，传递至阴极面的热量聚集在圆柱阵列的表面，由于圆柱阵列的均匀排布，热量均匀聚集在阴极面的表面，圆柱阵列加大了散热面积；进一步，传递至阴极面的热量传递给空气中未参加反应的气体，空气中未参加反应的气体包括空气中不参加反应的气体和未及时参与反应的氧气，空气中的氧气在传输的过程中参与反应逐渐被消耗，空气中未参加反应的气体沿一级至M级运输的过程中，流道的宽度变窄，但是热量积累的更多，热量促使空气中未参加反应的气体膨胀，使空气中未参加反应的气体在有限的空间内压强增大，加速从出风口排出，使得密封蜗壳内的气压变小，与密封蜗壳外造成压强差，加快空气从进气口进入，从而热量为通过进气口进入的空气提供额外的附加压强，加快了空气的流速，提高空气交换效率，有利于空气快速带走热量；

5)氢气通过进气孔进入阳极面，通过主流道传输至内支流道和外支流道，由于主流道的宽度逐渐减小，内和外支流道也逐渐变窄，根据伯努利定律，氢气快速均匀地扩散到阳极面的每一个阳极子区域；大部分氢气扩散至阳极扩散层参加反应，少部分未反应的氢气汇集到内和外集气流道，由出气孔传输至下一个单电池的阳极面，最终剩余的氢气从出气口排出；当设置于电堆之间的温度传感器检测到电池温度过高时，控制叶轮转速加快，使空气在阴极流道网流速加快，同时控制减少氢气进入，由于氢气进入量减小，而主流道、内和外支流道的氢气消耗速度反而随着阴极流道网空气流速加快而加快，所以主流道以及内和外支流道的氢气被快速消耗，缺少可供反应的氢气，使反应减慢，生成阴极水的速度减慢，但叶轮转速加快，使得阴极流道网的气体流速加快，快速带走热量和残留在阴极面的阴极水。

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