基于树叶形态形成机理的PEMFC双极板流场结构仿生设计

自然界中的传质或传热机构如动物肺和树叶等被认为是一种自然优化的强化换热和传质的网络流道，它具有均匀的微管分布，并有利于能量和物质的传递运输。PEMFC双极板的流场与动物肺和树叶的传质和传热功能类似，将PEMFC双极板流场分布的形成看成和植物树叶叶脉的自生长过程一样，双极板流场从给定的"种子"出发，根据一定的成长规则生长、分歧或退化，形成最优的分布形态。本项目研究树叶的物理结构和形成机理，总结归纳其与双极板流场具有共性的规律，形成方法论，建立PEMFC双极板流场结构形式的设计方法和原则。模拟树叶形态结构的自生长过程，确定双极板流场的结构形式。应用构形理论确定PEMFC双极板流场仿生结构的几何尺寸并进行优化。最终，建立基于仿生学原理的PEMFC双极板流场结构设计的理论体系，为双极板的设计和制造提供一条新途径，本项目的成果可广泛应用于便携式电源、小型固定发电机、电动汽车等的动力电源。

随着科技的发展和社会的进步，人类社会对于能源的需求和依赖越来越大，能源的消耗也在急剧地增加，而且常规能源储量有限。于是燃料电池（Fuel Cell）进入了人们的视野。质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）在航天、航空、航海以及电动车方面有着巨大的市场潜力，成为近年来发展最快的燃料电池。在当今能源危机和环境污染日趋严重的情况下，对PEMFC的深入研究是十分有意义的。本项目研究的主要内容包括：分析树叶的物理结构并模拟树叶形态结构的自生长过程；根据叶脉结构确定双极板流场的结构形式；优化PEMFC 双极板流场仿生结构的几何尺寸。取得的成果如下：（1）研究了基于仿生学的PEMFC双极板流场设计方法。自然界树状结构的形成，是按照达到全局最优化性能的原则来进行的。树状分支的成长受养分密度控制，分支的分布依赖养分的分布。PEMFC双极板的流场结构与动物肺和树叶的传质或传热功能类似，因此，PEMFC流场沟槽的分布可以同树状分支的分布相似。根据树状结构的最优化原则，结合不同的边界条件，PEMFC双极板的结构设计可以变得更为灵活和有效。（2）设计了几种仿生结构的PEMFC双极板。对树状结构及形态的形成过程进行研究，总结归纳其具有共性的规律，分别设计了二分结构流场、对称分支结构流场、非对称分支结构流场。并与传统的流场进行比较，在电池性能上都有显著的提高。（3）建立了基于构形理论的仿生结构流场沟槽尺寸的确定方法。目前普遍采用的方法是建立二维和三维模型，通过保持某些值不变而改变某个值，来研究PEMFC双极板流场结构的沟槽尺寸对电池性能的影响，从而确定流场结构的沟槽尺寸。这样的模型需要解偏微分方程，计算相当复杂，本项目基于构形理论确定PEMFC双极板仿生结构流场的沟槽尺寸。（4）探索了金属双极板的制造工艺规律。研究不锈钢金属双极板在介观尺度下的性能，建立双极板流道的有限元模型。研究流道参数对整个极板成形工艺的影响，分别对流道开口斜度、圆角的不同情况进行分析比较，得出最理想的流道几何参数。最终，建立基于仿生学原理的PEMFC双极板流场仿生结构设计的理论体系，为双极板的设计和制造提供一条新途径，本项目的成果可广泛应用于便携式电源、小型固定发电机、电动汽车等的动力能源。