CN104157887A - 一种质子交换膜燃料电池阴极扩散层 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池阴极扩散层 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池阴极扩散层，扩散层为设置在燃料电池膜电极催化层和电池流道之间的多孔介质支撑层，与催化层相连的扩散层的内表层为进水层，与电池流道紧密连接的扩散层的外表层为出水层，沿从进水层至出水层的厚度方向，扩散层具有接触角依次减小的多个变接触角分层。本发明结构有效促进了水滴在扩散层内向流道出口方向的传输，使得阴极产生的水能够快速通过扩散层的多孔通道排出到达电池流道，水的排出速度得到大幅度提高，起到了促进排水的作用。在大电流工作状态下可有效预防或缓解阴极水淹，降低反应气的传质阻力，从而提高电池的发电性能。

Description

一种质子交换膜燃料电池阴极扩散层
技术领域
本发明涉及一种多孔介质扩散层，尤其涉及用于质子交换膜燃料电池阴极组件的多孔电极扩散层。
背景技术
质子交换膜燃料电池由阳极、阴极和电极之间的质子交换膜组成，如图1所示，阳极A和阴极B分别由对称分布的双极板1、扩散层2和催化层3组成，其中在双极板上设置有电池流道5。在质子交换膜4两侧的电极催化层发生电化学反应，阴极催化层3电化学反应生成的水经过多孔介质扩散层2传输到流道5，然后随流道5中的气流排出电池。燃料电池的扩散层是燃料反应气从外部传输到电池内部、以及电极催化层的生成物排出到电池外部的主要通道，阴极反应生成物为水，水的及时排出是保证多孔结构不被堵塞从而使反应气顺利到达催化层的关键过程，也是影响电池性能的重要因素。电极扩散层的多孔结构如图2所示，在扩散层2一侧为电化学反应发生的场所，即催化层3；另一侧为提供反应气和排水通道的电池流道5。水的排出方向为从催化层3经由整个扩散层2传输到电池流道5，反应气从流道入口向出口流动的过程中，将流道中的水及时带走，从出口排出。图2中箭头方向为扩散层2内液态水的传输方向。电极扩散层通常要经过疏水处理从而使得水在其中的停留时间越短越好。然而，在大电流密度工作条件下，燃料电池阴极催化层会在短时间内产生大量的水，水容易聚积在多孔介质内部，阻塞传质通道，增大了外部反应气到达电极催化层的传质阻力，使得电池性能急剧下降。电极扩散层的表面接触角决定了多孔介质的亲疏水特性，经过疏水处理后，阴极催化层生成的水能快速通过扩散层传输到电池流道。关于电极扩散层表面接触角的研究相对较少，并且扩散层的接触角通常都为定值。到目前为止，关于多孔介质扩散层接触角的变化及接触角设计对质子交换膜燃料电池阴极排水及电池性能方面的影响尚无相关报道。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种有利于促进强制排水作用的一种质子交换膜燃料电池阴极扩散层，本扩散层可使阴极催化层生成水的排出速率大幅提高，缩短水在扩散层内的停留时间，有效缓解阴极水淹，从而提高燃料电池的极限电流密度，使得电池在大电流范围内的工作性能得到改进。
本发明的一种燃料电池阴极扩散层，扩散层为设置在燃料电池膜电极催化层和电池流道之间的多孔介质支撑层，与催化层相连的扩散层的内表层为进水层，与电池流道紧密连接的扩散层的外表层为出水层，沿从进水层至出水层的厚度方向，扩散层具有接触角依次减小的多个变接触角分层。
本发明的优点：
本发明结构简单，易于加工且成本较低，通过在扩散层厚度方向上设置接触角渐变结构，使得扩散层沿厚度方向的接触角渐次减小，疏水性逐渐减弱，使得水在扩散层厚度方向运动时产生递增的表面张力效应，增大了水滴沿扩散层接触角减小方向的传输驱动力，有效促进了水滴在扩散层内向流道出口方向的传输，使得阴极产生的水能够快速通过扩散层的多孔通道排出到达电池流道，水的排出速度得到大幅度提高，起到了促进排水的作用。在大电流工作状态下可有效预防或缓解阴极水淹，降低反应气的传质阻力，从而提高电池的发电性能。
附图说明
图1是典型的质子交换膜燃料电池结构示意图；
图2-1是水沿扩散层厚度方向流动示意图；
图2-2是水沿垂直于扩散层厚度方向流动示意图；
图3是本发明的一种质子交换膜燃料电池阴极扩散层结构示意图，其中l为扩散层分区距离，α为接触角(接触角同时适用于厚度方向和垂直厚度方向)，α1﹥α2﹥···﹥αn-1﹥αn；
图4是本发明的一种质子交换膜燃料电池阴极扩散层结构示意图，其中l为扩散层分区距离，l1﹥l2···﹥ln-1﹥ln；α为接触角(接触角同时适用于厚度方向和垂直厚度方向)，α1﹥α2﹥···﹥αn-1﹥αn；
图5是本发明的一种质子交换膜燃料电池阴极扩散层结构示意图，其中l为扩散层分区距离，l1﹤l2﹤···﹤ln；α为接触角(接触角同时适用于厚度方向和垂直厚度方向)，α1﹥α2﹥···﹥αn；
图6和图7是现有固定接触角扩散层的燃料电池在60℃及100％相对湿度下的极化曲线以及本发明燃料电池在相同工况下的极化曲线。
具体实施方式
本发明是在传统质子交换膜燃料电池扩散层结构上的改进，根据扩散层的表面接触角和亲疏水性可以调控的特点，得到接触角渐变的扩散层分区结构，提高液态水在扩散层厚度方向的传输驱动力，促进阴极催化层产物在扩散层的传质过程，实现具有不同排水能力电极扩散层的设计加工，可以满足不同工况下质子交换膜燃料电池的发电要求，尤其在大电流密度下具有更好的电池性能。
现有的质子交换膜燃料电池阴极扩散层，扩散层为包括设置在电极催化层3和电池流道5之间的多孔介质支撑层。电极扩散层一侧与催化层3紧密相连，另一侧与电池流道5相连，与催化层相连的扩散层的内表层为进水层，与电池流道紧密连接的扩散层的外表层为出水层，阴极产生的水沿催化层3向电池流道5方向流经整个扩散层2多孔通道。本发明是对现有的电池阴极扩散层的改进，沿从进水层至出水层的厚度方向，扩散层具有接触角依次减小的多个变接触角分层。扩散层沿厚度方向设置有变接触角的渐变式分区，从进水层至出水层的厚度方向接触角依次减小。不同的接触角通过亲水/疏水剂涂覆技术实现。具体的不同接触角的结构制备方法可以参见文献(Journal of the Electrochemical Society(电化学会志)，2010，157(2)，pB195；Electrochimica Acta，2007，52，p2328；Journal of Power Sources(能源杂志)，2013，221，p356)。大多数的疏水处理剂为聚四氟乙烯(PTFE)溶液，将材料用不同浓度的PTFE疏水剂浸泡一定时间后，可以得到具有不同的固定接触角(＞90°)的疏水结构；若想获得具有亲水性的材料，则用亲水剂如苯磺酸钠、萘磺酸钠溶液进行预处理即可得到接触角小于90°的亲水结构(Journal of PowerSources(能源杂志)，2009，194，p838)。
优选的进水层的厚度方向接触角数值为90°-150°，出水层的厚度方向接触角为80°-120°。从进水层到出水层厚度方向，扩散层的接触角逐层依次减小，疏水性逐渐减弱。从扩散层进水表面到出水表面的递减式渐变接触角结构布局具有两个优异性能：1)液体水的表面张力梯度促进了水在扩散层内的流动，对水的强制传输起到了定向及牵引作用，有利于阴极液态水的快速排出，提升水管理效果；2)强制定向排水的作用直接降低了阴极反应气的传质阻力，保证了大电流工作条件下的扩散层多孔介质的传输通道不被堵塞，提高了电池的极限电流密度及电池运行的稳定性。
假定电池流道水流方向如图2-2箭头所示，优选的在垂直于扩散层厚度方向上，在扩散层的出水层表面上设置有变接触角的渐变式分区结构并且渐变式分区结构的接触角沿电池流道中水流方向依次减小。优选的，靠近电池流道气流进口处的扩散层的出水层表面接触角数值为90°-150°，靠近电池流道气流出口的扩散层的出水层表面接触角数值为80°-120°。在垂直于扩散层厚度方向上接触角沿流道气流方向的接触角渐变结构使得靠近流道气流进口的扩散层的疏水性渐次高于靠近流道气流出口的扩散层的疏水性，有利于扩散层中的水从靠近流道进口的位置更容易排出到流道出口的位置，起到了强化传质的作用。沿电池流道中水流方向，电极扩散层的出水层表面的多个变接触角区间可以是等距的，也可以是不等距的。
电极扩散层沿厚度方向或表面方向变接触角的层间分区可以是等距的，也可以是不等距的。无论变接触角的间隔距离如何分布，接触角的变化规律均为沿扩散层进水表面到出水表面方向逐渐减小。扩散层厚度方向和垂直厚度方向进水层的起始接触角可以为90°-150°之间的任意数值，扩散层厚度方向和垂直厚度方向出水层的最终接触角可以为80°-120°之间的任意数值。
如图3-5中的布局结构和规律同时适用于扩散层厚度方向和表面方向(垂直于厚度方向)。
如图3所示的扩散层沿厚度方向或垂直于厚度方向的变接触角结构的分区为等距设置，具有不同接触角的扩散层分区间隔为等距离(l)，α数值的顺序为α1﹥α2﹥···﹥αn-1﹥αn。
如图4所示的扩散层沿厚度方向或垂直于厚度方向的变接触角结构的分区为递减式间隔分布，从进水表面到出水表面接触角渐变的扩散层间隔距离为l1﹥l2﹥···﹥ln-1﹥ln，α数值的顺序为α1﹥α2﹥···﹥αn-1﹥αn。
如图5所示的扩散层沿厚度方向或垂直于厚度方向的变接触角结构的分区为递增式间隔分布，从进水表面到出水表面接触角渐变的扩散层间隔距离为l1﹤l2﹤···﹤ln，α数值的顺序为α1﹥α2﹥···﹥αn-1﹥αn。
采用本结构的变接触角质子交换膜燃料电池阴极扩散层的工作过程为：在阴极催化层3，随着电化学反应的不断发生，反应产物水堆积在扩散层2多孔介质进水表面，在压力梯度和毛细作用下，水开始进入扩散层进水表面。由于本结构设计的扩散层沿扩散层厚度方向和垂直于厚度方向的接触角逐渐减小，使得水在扩散层不同分区表面的表面张力逐渐增大，这种表面张力的梯度变化对于水在扩散层的定向流动起到了牵引和促进作用，并在毛细作用力的推动下，加速了水向扩散层出水表层的流动，避免了大量的水在扩散层内的堆积，对阴极的水淹起到了缓解和疏导作用。同时由于扩散层内没有大量的积水，保证了阴极反应气的供给充足，降低了传质阻力，反应气的传输和液态水的传输实现了双赢的良性循环，总体上有利于提高电池的发电特性。对于大功率需求的燃料电池来说，需要反应气供给充足，阴极产生的大量水能够快速排出，这种变接触角阴极扩散层结构设计的优越性更为明显。
下面结合具体实施例对本发明加以详细说明：
表1为燃料电池扩散层厚度方向不同接触角的参数配置案例；表2为一定入口压力下水在电极扩散层中厚度方向的停留时间，设定电极扩散层的厚度为2mm。表3为燃料电池扩散层在厚度方向的接触角固定，垂直于厚度方向上的扩散层出水层的不同接触角的参数配置案例；表4为一定入口压力下水在扩散层中沿流道来流方向(即垂直于扩散层厚度方向)的停留时间，设定电极扩散层的长度为4cm。
表1燃料电池扩散层厚度方向的不同接触角α的参数配置案例
案例 固定α(°) 渐变α(°) αn-αn-1(°) ln-ln-1(mm)
比较例1 150 - - -
比较例2 100 - - -
实施例1 - 150-120 5 0
实施例2 - 150-110 10 0
实施例3 - 150-100 15 0.2
实施例4 - 150-100 15 -0.2
实施例5 - 150-100 15 -0.4
实施例6 - 140-90 4 0
实施例7 - 140-90 8 0
实施例8 - 140-90 12 0
实施例9 - 130-90 6 0
实施例10 - 130-90 6 0.3
实施例11 - 130-90 6 -0.3
实施例12 - 120-90 5 0
实施例13 - 120-80 4 0
实施例14 - 110-90 5 0
实施例15 - 110-80 5 0
实施例16 - 100-90 2 0
实施例17 - 100-80 4 0
实施例18 - 90-80 2 0
表2进口压力为0.02MPa时水在一定厚度扩散层中的停留时间
案例 水流经扩散层中的时间(ms)
比较例1 300
比较例2 60
实施例1 70
实施例2 60
实施例3 55
实施例4 60
实施例5 63
实施例6 45
实施例7 47
实施例8 50
实施例9 43
实施例10 40
实施例11 45
实施例12 37
实施例13 35
实施例14 34
实施例15 32
实施例16 30
实施例17 30
实施例18 28
表3燃料电池扩散层垂直于厚度方向的不同接触角α的参数配置案例
案例 固定α(°) 渐变α(°) αn-αn-1(°) ln-ln-1(mm)
比较例3 150 - - -
比较例4 120 - - -
实施例19 - 150-120 5 0
实施例20 - 150-110 10 0
实施例21 - 150-100 15 0.5
实施例22 - 150-100 15 -0.5
实施例23 - 150-100 15 -1.0
实施例24 - 140-90 4 0
实施例25 - 140-90 8 0
实施例26 - 140-90 12 0
实施例27 - 120-90 5 0
实施例28 - 120-80 5 0
表4进口压力为0.02MPa时水在一定长度扩散层中的停留时间
案例 水流经扩散层中的时间(s)
比较例3 10
比较例4 20
实施例19 8
实施例20 7
实施例21 6
实施例22 6.5
实施例23 7.5
实施例24 4
实施例25 4.5
实施例26 5
实施例27 3.5
实施例28 3
现有技术比较例：比较例1，3和比较例2，4分别对应扩散层接触角固定为150°和100°时的工况。当进口压力为0.02MPa时，在固定厚度为2mm时，比较例1中水的扩散层厚度方向流经的时间为300ms，比较例2为60ms。在固定长度为4cm时，比较例3中水在扩散层中垂直厚度方向流经的时间为10s，比较例4为30s。
本发明的实施例：如表2所示，当用改进设计的变接触角扩散层时，在同样条件和接触角水平下，实施例中水在扩散层中厚度方向的流经时间明显缩短。如与接触角固定为150°的比较例1相比(水流经扩散层的时间为300ms)，采用本发明的变接触角扩散层所做的实施例1-5对应的水流经时间为55-70ms，水的排出速率增大了3倍；与接触角固定为100°的比较例2相比(水流经时间为60ms)，采用本发明的变接触角扩散层所做的实施例16-17对应的水流经时间为30ms，排出时间缩短了1倍。如表4所示，与接触角固定为150°的比较例3相比(水流经扩散层垂直厚度方向的时间为10s)，采用本发明的变接触角扩散层所做的实施例19-23对应的水流经时间为6-8s；与接触角固定为100°的比较例4相比(水流经时间为20s)，采用本发明的扩散层所做的实施例27，28对应的水流经时间为3s，3.5s，排出时间缩短了4倍。水在扩散层内厚度方向和垂直厚度方向的流经时间的缩短证明了变接触角结构扩散层的排水效率得到了提高。
从上表可以得到以下结论：
(1)如表2所示，起始接触角越大，疏水性越强，水在起始阶段进入扩散层中的渗透扩散阻力越大，导致水在扩散层中的流动时间增长。在实际的燃料电池中，扩散层必须要具有一定的疏水性，以保证水在扩散层中不能积存，多孔结构通畅；
(2)对于本发明的变接触角扩散层结构，当扩散层的厚度、长度和起始接触角、最终接触角固定时，扩散层的分区接触角差值越大，水在扩散层中的流经时间越长，如实施例6-8，24-26，随着接触角差值增大，水流经扩散层的时间依次增长；
(3)对于本发明的变接触角流道结构，扩散层分区的接触角差值固定时，分区距离的设置对水传输有一定的影响。靠近进水侧的分区间隔越长，靠近出水侧的分区间隔越短，水在扩散层中的流经时间越长，如实施例9-11，24-26分区间隔递增式的结构有利于水的快速定向排出；
(4)水在扩散层中的流经时间受接触角的变化区间、扩散层分区间隔及渐变规律、以及相邻分区之间接触角差值等各种因素的综合影响。
现有技术比较例：应用普通固定接触角(α＝150°)阴极扩散层的质子交换膜燃料电池极化曲线如图6比较例1所示，实验条件为：100％RH，化学计量比：空气:2，氢气:1.5，(是实际空气或氢气流量与理想所需的流量比值，即空气流量是实际所需流量的2倍，氢气是1.5倍)；操作压力：0.1MPa，操作温度：60℃。随着电流密度的逐渐增大，输出电压逐渐降低，电流密度为0.8A/cm2时，电池的输出电压为0.52V，能量密度达到峰值0.42W/cm2，当电流密度继续增大时(大电流区域，阴极产生较多水)，电池的输出电压和功率密度急剧下降。
本发明的实施例：如图6实施例5所示，当采用本发明的变接触角扩散层组装成燃料电池后，同样实验条件下，电池的输出性能获得了明显提升，电流密度为1.3A/cm2时，电池的输出电压为0.46V，能量密度达到峰值0.60W/cm2，电池的极限电流密度接近于2.0A/cm2，从而证明了本发明的扩散层结构在提高电池性能方面的优越性。
现有技术比较例：应用普通固定接触角(α＝100°)阴极扩散层的质子交换膜燃料电池极化曲线如图7中比较例2所示，实验条件同上。
本发明的实施例：如图7实施例16所示，当采用本发明的变接触角阴极扩散层组装成燃料电池后，同样实验条件下，电池的输出性能在大电流密度区域获得了明显提升，进一步证明了本发明的扩散层结构有利于提高电池的性能。

Claims (5)

1.一种燃料电池阴极扩散层，扩散层为设置在燃料电池膜电极催化层和电池流道之间的多孔介质支撑层，与催化层相连的扩散层的内表层为进水层，与电池流道紧密连接的扩散层的外表层为出水层，其特征在于：沿从进水层至出水层的厚度方向，扩散层具有接触角依次减小的多个变接触角分层。
2.根据权利要求1所述的燃料电池阴极扩散层，其特征在于：进水层的厚度方向接触角数值为90°-150°，出水层的厚度方向接触角为80°-120°。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池阴极扩散层，其特征在于：在垂直于扩散层厚度方向上，在扩散层的出水层表面上设置有变接触角的渐变式分区结构并且渐变式分区结构的接触角沿电池流道中水流方向依次减小。
4.根据权利要求3所述的燃料电池阴极扩散层，其特征在于：靠近电池流道气流进口处的扩散层的出水层表面接触角数值为90°-150°，靠近电池流道气流出口的扩散层的出水层表面接触角数值为80°-120°。
5.根据权利要求4所述的燃料电池阴极扩散层，其特征在于：所述的扩散层沿厚度方向变接触角的分区间隔等距或者不等距；所述的扩散层垂直于厚度方向的出水层表面多个变接触角结构分段区间等距或者不等距。
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