本發(fā)明屬于燃料電池結構領域，具體涉及一種電池分形流場結構及質子交換膜燃料電池。

背景技術：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

2、質子交換膜燃料電池(pemfc)是一種高效的能量轉化裝置，能夠直接將化學能轉化為電能，具有功率密度大、發(fā)電效率高、工作溫度低、啟動快、清潔環(huán)保等優(yōu)點，廣泛應用于交通、便攜式電源和熱電聯供等領域，對解決能源短缺和環(huán)境污染具有重要意義。優(yōu)化pemfc流場結構能夠提高反應氣體和液態(tài)水的傳熱傳質能力，從而提高電池性能和降低成本。

3、常規(guī)的流場排布方式有平行流場、蛇形流場、點狀流場和交指流場。其中平行流場中入口主流道與出口主流道之間的距離較遠，且由于各子流道距離入口的遠近不同，會出現反應氣體分配不均的問題，中間流場區(qū)域可能會出現液態(tài)水的聚集；蛇形流場中反應氣體從入口經歷多次轉折到達出口，在較大尺寸的流場中，將會存在十分嚴重的壓降問題，僅一條通路也會導致液態(tài)水的堵塞，從而惡化電池性能；交指流場中反應氣體從入口流道流入出口流道的過程中將會發(fā)生強制對流，強制對流過程將帶來嚴重的壓降，并可能會對擴散層造成沖擊，從而導致嚴重的機械損傷；點狀流場中流道被肋分割成許多塊矩形區(qū)域，由于反應氣體會優(yōu)先選擇阻力最小的路徑，該流場中路徑較多，更容易出現局部反應氣體不足和液態(tài)水聚集的問題，反應氣體擾動增強也可能引起二次流問題。

技術實現思路

1、本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種電池分形流場結構及質子交換膜燃料電池，本發(fā)明分形流場由多個分流單元與合流單元交替排布；從流場入口到出口分流單元的數量不斷增加，體積不斷減小，縮短了反應氣體匯流的路徑，有利于增強反應氣體的混合作用，擾動增強，且有利于提高遠離入口區(qū)域的反應氣體速度。

2、根據一些實施例，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、一種電池分形流場結構，包括入口、出口、分流單元與合流單元，其中，所述入口和出口分別位于電池的不同側，入口和出口之間為流場；

4、所述分流單元包括多組，每組并排設置，且相鄰的分流單元組之間設置所述合流單元；

5、每組分流單元包括多個分流單元，各分流單元之間間隔設置，每個分流單元包括一分形主體，以及用于連接分形主體和對應合流單元的導流結構；

6、從入口到出口，不同組分流單元的數量逐步增加，各組分流單元的分形主體的面積依次減少。

7、作為可選擇的實施方式，所述分形主體為正多邊形結構。如四邊形、六邊形和八邊形等。

8、作為可選擇的實施方式，所述導流結構為六面體結構。

9、作為進一步的限定，所述導流結構和分形主體相連接的邊的長度，與分形主體的邊長相等。

10、作為可選擇的實施方式，各組分流單元的分形主體的面積之間呈比例變化，所述比例為最優(yōu)的縮放因子的取值。

11、作為進一步的限定，所述最優(yōu)的縮放因子的取值根據murray定律計算得到。

12、作為進一步的限定，每組分流單元為同一級別，相鄰組的分流單元之間相差一個級別，第一級分流單元的分形主體的面積為a1，第二級分流單元的分形主體的面積為w×a1，第n級分流單元的分形主體的面積為wn-1×a1。

13、作為可選擇的實施方式，各組合流單元的尺寸相同。

14、作為可選擇的實施方式，所述分流單元數量與合流單元數量根據電池的尺寸計算確定。

15、一種質子交換膜燃料電池，包括陰極部件、陽極部件和質子交換膜，所述陽極部件包括依次布設的集流板、流道、擴散層和催化層，所述陰極部件包括依次布設的集流板、流道、擴散層和催化層，其中，陰極部件和陽極部件以質子交換膜為中心對稱設置；

16、所述陽極部件的流道和所述陰極部件的流道均為上述分形流場結構。

17、與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

18、本發(fā)明提供了一種新型分形流場結構，由多個分流單元與合流單元交替排布，縮短了反應氣體匯流的路徑，有利于增強反應氣體的混合作用，擾動增強。

19、本發(fā)明的分形流場結構從流場入口到出口，分流單元的數量不斷增加，體積不斷減小，有利于提高遠離入口區(qū)域的反應氣體速度；變截面的分形主體有利于增強流場中的橫向擾動；應用murray定律的推廣也有利于減小流動損失。

20、本發(fā)明的分形流場結構能夠有效提高傳質效率，使反應氣體均勻分布和有良好的除水性能，在提高pemfc輸出功率的同時盡可能減小壓降損失。

21、為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。

技術特征：

1.一種電池分形流場結構，其特征是，包括入口、出口、分流單元與合流單元，其中，所述入口和出口分別位于電池的不同側，入口和出口之間為流場；

2.如權利要求1所述的一種電池分形流場結構，其特征是，所述分形主體為正多邊形結構。

3.如權利要求1所述的一種電池分形流場結構，其特征是，所述導流結構為六面體結構。

4.如權利要求3所述的一種電池分形流場結構，其特征是，所述導流結構和分形主體相連接的邊的長度，與分形主體的邊長相等。

5.如權利要求1所述的一種電池分形流場結構，其特征是，各組分流單元的分形主體的面積之間呈比例變化，所述比例為最優(yōu)的縮放因子的取值。

6.如權利要求5所述的一種電池分形流場結構，其特征是，所述最優(yōu)的縮放因子的取值根據murray定律計算得到。

7.如權利要求5或6所述的一種電池分形流場結構，其特征是，每組分流單元為同一級別，相鄰組的分流單元之間相差一個級別，第一級分流單元的分形主體的面積為a1，第二級分流單元的分形主體的面積為w×a1，第n級分流單元的分形主體的面積為wn-1×a1。

8.如權利要求1所述的一種電池分形流場結構，其特征是，各組合流單元的尺寸相同。

9.如權利要求1或5或8所述的一種電池分形流場結構，其特征是，所述分流單元數量與合流單元數量根據電池的尺寸計算確定。

10.一種質子交換膜燃料電池，包括陰極部件、陽極部件和質子交換膜，所述陽極部件包括依次布設的集流板、流道、擴散層和催化層，所述陰極部件包括依次布設的集流板、流道、擴散層和催化層，其中，陰極部件和陽極部件以質子交換膜為中心對稱設置；

技術總結
本發(fā)明屬于燃料電池結構領域，本發(fā)明提供了一種電池分形流場結構及質子交換膜燃料電池，電池分形流場結構的入口和出口之間為流場；分流單元包括多組，每組并排設置，且相鄰的分流單元組之間設置所述合流單元；每組分流單元包括多個分流單元，各分流單元之間間隔設置，每個分流單元包括一分形主體，以及用于連接分形主體和對應合流單元的導流結構；從入口到出口，不同組分流單元的數量逐步增加，各組分流單元的分形主體的面積依次減少，縮短了反應氣體匯流的路徑，有利于增強反應氣體的混合作用，擾動增強，且有利于提高遠離入口區(qū)域的反應氣體速度。

技術研發(fā)人員：于澤庭,喬硯錦,王長江
受保護的技術使用者：山東大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/2