仿生王莲交错分级式多层级燃料电池双极板流道场结构

1.本发明属于仿生结构工程技术领域，尤其涉及一种仿生王莲交错分级式多层级燃料电池双极板流道场结构。


背景技术：

2.随着近现代人类工业文明的飞速发展，传统化石燃料不仅带来的众多环境问题，而且其本身资源日益匮乏，能源领域亟须新的、清洁的能源来代替传统化石燃料。近些年来，新能源的开发使用问题已经引发了广泛的关注，新能源在能源领域的运用比重不断增加。作为新能源领域的代表的氢燃料电池由于其燃烧清洁、使用安全而在近些年来同样获得了长足的发展。而作为燃料电池核心部件的双极板结构在电池工作过程中既要保证电子的传输效率，并同时为电池的单元结构提供机械支撑，最重要的是提供反应离子的高效传输通道。现有双极板内部传输流道场设计方面传统设计方法主要是采用蛇形流道结构。
3.自然界的植物在经历不断优胜劣汰的筛选之后保留了了优良的生物结构，此类结构为人类在结构设计方面提供了源源不断的灵感来源。王莲作为水生有花植物中叶片最大的植物，成熟的王莲叶片整体呈现圆形或椭圆形，直径可以达到2米，背部粗壮的叶脉结构不仅具备高承载能力而且能够高效的将养分传输到面积巨大的叶面上，对于仿生、物质有效传输等方向有很强的参考价值。经过测量，王莲分支叶片中的叶脉结构大多保持夹角在30
°
左右的扇形范围内并向叶片边界处交错分级生长，最终叶脉均延伸至边界处并且呈5
°
左右的夹角的规则分布方式，这种分布方式可将扇形叶面均分，能够实现对扇形叶面的有效覆盖。传统双极板流场结构可分为：传统流场如平行流场、网状流场、螺旋流场等；新型流场如多种流场相组合的新式流场、直流道与不同截面组合的新式流场等。然而随着如增材制造等新兴技术在双极板领域的应用，燃料电池流道场设计也出现了众多不规则流道场的结构设计方法，典型如仿生流道场设计(仿生叶脉流场、仿生肺部支气管流场等)。该类流道场结构对比传统双极板流道场有着复杂弯曲的流道走向，从结构设计角度提升反应物质在流道内高效传输，继而提升电池整体性能。而现有仿生流场采用的分型方式多为指数化分型方式，即流道分支数目呈指数化上升。受各气体扩散点与出气口距离差异的影响，反应气体在流场内部部分区域会出现传输受限，继而导致气体淤积的现象，影响电池性能。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的在于提供一种改善实际工作状态下燃料电池内部物质传输效率的仿生王莲交错分级式多层级燃料电池双极板流道场结构，本发明提出的平面交错分级的方法则避免了流道场内分支流道数目过多现象，既能够保证气体在双极板内的扩散均匀性，同时也能保证气体从进气口到出气口的有效传输。同时本发明提出的进气流道场与出气流道场交错排列的方式可进一步提升扩散气体在双极板内分布的均匀性。
5.技术方案：本发明的仿生王莲交错分级式多层级燃料电池双极板流道场结构，流道场为双极板结构，分为进气流道场和出气流道场，从进气口处开始进气，出气口处出气，
进气流道场整体被分成左、中、右三个区域并被不同层级的仿生王莲交错分级式单胞填充，左右两处单胞呈镜像分布，出气流道场分布在单胞两侧即插入到进气流道场内部，并从边界流道汇集延伸至出气口。
6.进一步地，所述双极板结构呈现矩形结构。
7.进一步地，所述仿生王莲交错分级式单胞填充是根据王莲叶脉分布规律确定单胞为扇形结构，其覆盖范围为30
°
夹角扇形区域。
8.进一步地，所述确定单胞为扇形结构是以极坐标为原型建立以扇形中心为原点，不同层级间则以等距同心圆为分界线的模型，其半径差值相同，以至于最终不同分级结构的都能将扇形单胞区域完全覆盖。
9.进一步地，不同层级的单胞流道根数与本身层级数目相一致，即单胞流道每增加一级只有一根流道产生分型产生两根次级流道，且随着层级增加，流道分型方式为从左至右依次分型，最终延伸至扇形边缘处的流道能将30
°
的扇形区域均分，且所有流道延长线汇交于扇形圆心。
10.进一步地，所述流道截面形状均为矩形，高度为0.5mm，不同层级流道宽度不同，上下级流道截面面积比符合推广式穆勒定律，即f＝n-2/3
，其中，f为子-母最优流道面积比，n为子分支个数。
11.进一步地，上级分型流道位于产生的两根次级流道的夹角的角平分线位置，延长线均交于扇形圆心。
12.进一步地，左、中、右三处夹角为30
°
的扇形单胞彼此相隔一定距离。
13.进一步地，在交互性仿生王莲流场时，气流道场和出气流道场之间不相连；在非交互性仿生王莲流场时，进气流道场和出气流道场相连。
14.本发明还提供仿生王莲交错分级式多层级燃料电池双极板流道场结构的性能检测方法，包括以下步骤：
15.步骤一，将使用三维建模软件所得双极板流道结构进行网格划分；
16.步骤二，在相同的条件下对三维质子交换膜燃料电池几何模型进行模拟计算；
17.步骤三，提取关键的模拟参数，对于步骤二模型模拟结果，在相同的位置提取能够侧面反映各双极板流场结构模型对燃料电池性能影响，获得的关键参数包括：阴极流道场反应气体的速度分布、阴极反应气体的浓度分布和燃料电池电流密度；
18.步骤四，综合考虑关键模拟参数，优选双极流场的最优结构参数。
19.本发明在王莲叶脉典型结构基础上提取关键信息，特别是交错分级式分级结构，提出一种仿生王莲交错分级式pemfc燃料电池双极板流道场构型，本发明选取扇形叶面典型的30
°
夹角作为单胞结构填充矩形流道场。其中单胞结构可变换层级数目以实现变量控制。此外，对进气流道场和出气流道场交互式与非交互式进行区分，研究二者对pemfc性能的影响。本发明通过solidworks建立三维模型，并基于模拟仿真对不同层级结构的pemfc双极板模型进行综合分析。
20.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
21.(1)本发明将进气流道场和出气流道场交插排列，有利于反应气体的扩散和生成物及时流出。其中进气流道场采用单胞化设计，将矩形流道场单元化，简化双极板流场结构及设计难度。填充各单元的单胞内流道则采用交错分级式设计，避免了传统分型结构流道
数目呈指数化上升的结果，有利于降低燃料电池内部压降。流道分级时截面遵循保证物质有效传输的穆勒定律，保证燃料电池在工作过程中反应物质的有效传输。此外还对进气流道场与出气流道场交互方式进行比对分析，比较交互式与非交互式流道场对物质传输及燃料电池整体性能的影响。
22.(2)本发明摆脱双极板平面流场设计固有的流场呈指数级数目增长的影响，交错分级方式的流道场能够在确保流道场内部物质传输均匀性的条件下保持良好的流动，显著提升燃料电池性能，且与非交互式流场相结合能够进一步提升双极板流道场性能。
23.(3)本发明在电池模拟设计过程中保证了流道出入口截面面积相同，入口流速相同，反应气体分布只与双极板内部流场分布有关，因此本发明模拟结果具有可靠性。
附图说明
24.图1是本发明所述平面交错分级双极板扇形单胞结构的分级方式示意图，(a-c)依次为三级、五级、七级单胞；
25.图2是本发明所述质子交换膜燃料电池的单胞结构的solidworks软件建模图，初级流道横截面积相同，均为0.5
×
1mm，产生分叉的流道截面积满足推广式穆勒定律，高度均为0.5mm；
26.图3是变长为40mm的矩形流域，(a-c)依次为三、五、七级进/出气流道场非交互式流场，(d，f)分别为三、七级进/出气流道场交互式流场；
27.图4是模拟所用燃料电池装配模型，其中1
–
阳极双极板，2
–
阳极双极板流道场，3
–
阳极气体扩散层，4
–
阳极催化层，5
–
质子交换膜，6
–
阴极催化层，7
–
阴极气体扩散层，8
–
阴极双极板流道场，9
–
阴极双极板；
28.图5是质子交换模燃料电池在不同电流密度下的功率密度曲线图；
29.图6是质子交换模燃料电池在不同电流密度下的极化曲线曲线图；
30.图7是质子交换膜燃料电池不同双极板流道场在阴极气体扩散层与催化剂层处的反应气体扩散云图；
31.图8是质子交换膜燃料电池不同双极板流道场在阴极气体扩散层与双极板流场处的气体横向扩散矢量图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
33.步骤一，建立仿生多层级pemfc燃料电池双极板内流道结构几何模型：使用solidworks建模软件建立仿生王莲内流道场实体部分，确定一级流道尺寸长宽为0.5
×
1mm，根据穆勒定律推广式(f＝n-2/3
)计算得出二级流道尺寸为0.5
×
0.63mm，三级流道尺寸为0.5
×
0.395mm，四级流道尺寸为0.5
×
0.25mm。入口处设计成圆柱状，尺寸参数取值为r＝0.885mm。单胞设计如图1所示，在层级条件确定的情况下最后一级流道分布将30
°
扇形均分，根据交错分级原则每增加一级流道，只有一根上级流道分型产生两根次级流道，流道分型依据从左至有依次分型的原则(如图2所示)。上一级流道位于次级流道夹角的角平分线位置并采用采用切线弧方式连接，无需分型的上级流道则保持角度不变，并依此原则逐级构成单胞。单胞整体排列在矩形流道场中需相隔一定距离以避免流道交叉(如图3所示)。出
气流道分布在单胞两侧并汇集至出口处构成完整流道场。本发明确定进气流道场与出气流道场直接相连的流场为非交互式流场，反之则为交互式流场。最后，补充建立双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜(pemfc)的几何模型，完整装配成电池(如图4所示)。
34.步骤二，对不同的仿生多层级pemfc燃料电池双极板流道场结构几何模型进行网格划分，具体步骤过程为：将xt格式的几何文件导入到icem中。对几何文件进行拓扑检查，修复几何中存在的问题。建立初始块，然后按照计算域进行分块。然后按照模拟计算过程中的边界条件分别对块和几何文件建立part。然后，根据几何的特点对块进行剖分和关联。设置生成网格的参数，生成网格，根据网格质量和数量调整参数。最后输出msh格式的网格，导入fluent进行模拟计算。
35.步骤三，将msh网格导入到fluent软件中。调出燃料电池模块，对不同构型流场通过改变电池的电压方式得出其极化曲线，并且计算出各电压条件下不同构型流场的功率密度数据，如图5、图6所示。可以看出电压较高而电流密度较低时(0.8-0.9v)，不同结构得到极化曲线基本重叠。随着电压下降，极化曲线开始分化，非交互式流场整体电流密度均高于同层级的交互式流场，且随着层级数的增加而提高。功率密度最高为“7级”非交互式流场，为0.2766w/cm2，其次是非交互式“5级”和“3级”流场。
36.步骤四，在阴极侧对不同层级的pemfc燃料电池双极板模型，在双极板流道和气体扩散层的界面位置提取反应气体流向及速度数据，在气体扩散层和催化层的界面提取反应气体的浓度分布数据，如图7和图8所示。可以看到非交互式流场由于内部气体受强制对流作用的影响扩散效果明显好于交互式流场，且随着层级数增加内部气体分布更加均匀。
37.步骤五,模拟结果分析如下：根据得出不同层级的pemfc燃料电池双极板模型的层级-速度曲线图和不同层级的pemfc燃料电池双极板模型的层级-反应气体浓度曲线图。分析得出平面交错分级方式能够有效提升双极板反应气体分布效率和电池整体功率密度，并且非交互式流场分布能进一步提升双极板性能。