CN107978768B - 一种燃料电池组件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池组件及其制备方法。能够有效降低双极板和气体扩散层之间的界面电阻，提高电堆的整体功率密度。本发明实施例提供一种燃料电池组件，包括：双极板，以及设置在所述双极板一侧的气体扩散层；所述气体扩散层与所述双极板的界面之间通过形成化合物或固溶体的方式结合。本发明实施例用于燃料电池的制备和组装。

Description

一种燃料电池组件及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池组件及其制备方法。
背景技术
燃料电池简称为电堆，主要由双极板、气体扩散层、膜电极、集流板、端板等组成。其中，双极板和气体扩散层的作用均为实现反应物均匀传质，产物顺利输出，电子传导等，在电堆整体结构中起到非常重要的作用。双极板的作用主要是实现反应物与产物的宏观传质，气体扩散层一般采用的是有微结构的碳纸或者碳布，可以将反应物进一步均匀传输到膜电极上，并将产物水快速与膜电极进行分离。
在实际应用中，通常通过分别制备双极板和气体扩散层，再通过端板紧固的方式实现双极板和气体扩散层的组装，这种组装方式形成的双极板和气体扩散层之间的界面电阻较大，不利于提高电堆的整体功率密度。
发明内容
本发明的实施例提供一种燃料电池组件及其制备方法，能够有效降低双极板和气体扩散层之间的界面电阻，提高电堆的整体功率密度。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供一种燃料电池组件，包括：
双极板，以及设置在所述双极板一侧的气体扩散层；
所述气体扩散层与所述双极板的界面之间通过形成化合物或固溶体的方式结合。
可选的，当所述双极板朝向所述气体扩散层的一侧表面设置有流道时，所述气体扩散层与形成所述流道的结构层远离所述双极板的表面之间通过形成化合物或固溶体的方式结合。
可选的，所述气体扩散层为多孔层。
可选的，所述气体扩散层为由碳材料组成的多孔层。
可选的，所述气体扩散层的孔径分布范围为10纳米-5微米。
可选的，所述流道的宽度为20微米-2毫米。
另一方面，本发明实施例提供一种如上所述的燃料电池组件的制备方法，包括：
通过静电纺丝工艺将有机浆料纺制在所述双极板的一侧表面，通过煅烧对形成在所述双极板一侧表面的有机浆料层进行碳化处理，并使经碳化处理形成的气体扩散层与所述双极板的界面之间以化合物或固溶体的形式结合。
可选的，所述煅烧的温度为500-3000℃，时间为30s-60min。
可选的，所述有机浆料中还包含有可加热分解的硝酸盐。
可选的，所述有机浆料的粘度为200-800dPa·s。
本发明实施例提供一种燃料电池组件及其制备方法，通过将所述气体扩散层与所述双极板的界面之间通过形成化合物或固溶体的方式结合，与现有技术中通过端板紧固的方式将所述双极板与所述气体扩散层组装相比，所述气体扩散层与所述双极板通过界面结合连接为一体结构，能够提高所述双极板和所述气体扩散层之间的结合紧密度，可有效降低所述双极板和所述气体扩散层之间的界面接触电阻，提高所述双极板与所述气体扩散层之间的导电性能，从而能够提高电堆的整体功率密度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种燃料电池组件的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种燃料电池组件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例提供的一种燃料电池组件及其制备方法进行详细描述。
一方面，本发明实施例提供一种燃料电池组件，参见图1，包括：
双极板1，以及设置在所述双极板1一侧的气体扩散层2；
所述气体扩散层2与所述双极板1的界面之间通过形成化合物或固溶体的方式结合。
化合物是指两个组分发生化学反应以化合键的形式连接的纯净物，这里，气体扩散层2与双极板1的界面之间形成化合物，是指所述气体扩散层2与所述双极板1的界面之间发生化合反应，通过化合键的形式将所述气体扩散层2与所述双极板1连接为一体结构。
两组分固态互溶称固溶体或固态溶液，它通常由于两种组分分子、原子或离子大小接近，在晶格中能够彼此取代而形成。示例性的，铁碳合金是以铁为基本元素，以碳为主加元素组成的合金。在液态时，铁和碳可以无限互溶。在固态时，碳溶于铁中形成固溶体。
本发明实施例提供一种燃料电池组件，通过将所述气体扩散层2与所述双极板1的界面之间通过形成化合物或固溶体的方式结合，与现有技术中通过端板紧固的方式将所述双极板与所述气体扩散层组装相比，所述气体扩散层2与所述双极板1通过界面结合连接为一体结构，能够提高所述双极板1和所述气体扩散层2之间的结合紧密度，可有效降低所述双极板1和所述气体扩散层2之间的界面接触电阻，提高所述双极板1与所述气体扩散层2之间的导电性能，从而能够提高电堆的整体功率密度。
这里，在实际应用中，可以根据所述气体扩散层2和所述双极板1的材料，来选择合适的结合方式实现所述气体扩散层2与所述双极板1的结合。
本发明的一实施例中，所述双极板1可以为石墨板、金属板或复合板。当所述双极板1为石墨板，而所述气体扩散层2为碳布时，所述气体扩散层2与所述双极板1可以固溶体的形式进行结合，当所述双极板1为金属板，而所述气体扩散层2为碳纸时，所述气体扩散层2与所述双极板1之间可以通过形成碳化物的形式进行结合。
本发明的又一实施例中，参见图2，当所述双极板1朝向所述气体扩散层2的一侧表面设置有流道3时，所述气体扩散层2与形成所述流道3的结构层4远离所述双极板1的表面41之间通过形成化合物或固溶体的方式结合。有利于反应气体和电子的传输，以及反应产物的排出。
当所述双极板1朝向所述气体扩散层2的一侧表面设置有流道3时，形成流道的结构层4还对所述气体扩散层2起到支撑作用，而在本发明实施例中，为了防止气体扩散层2在装配时发生变形，优选的，所述流道3的宽度为20微米-2毫米。
其中，气体扩散层在质子交换膜燃料电池电极中不仅起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还起着分散气体、排水和导电等作用。因此，优选的，所述气体扩散层3为多孔层。
其中，对所述气体扩散层2的具体材料不做限定，所述气体扩散层2可以为金属材料，也可以为无机非金属材料。当所述气体扩散层2为金属多孔层时，可以通过固相金属烧结法、液态金属凝固法、金属沉积法或腐蚀造孔法制备获得，而当所述气体扩散层2为无机非金属多孔层时，所述气体扩散层可以为陶瓷材料，也可以为碳纤维层。这时，所述气体扩散层2可以根据不同材料的常规工艺制备获得。
由于碳材料导电性能良好，在自然界中分布较为广泛，且易于制备。因此，优选的，所述气体扩散层2为由碳材料组成的多孔层。
例如，所述气体扩散层2可以为由碳微粒构成的多孔层，也可以为碳丝交织而成的多孔层。
其中，可以通过涂层、印刷或者气相沉积的方法在所述双极板1的一侧表面形成有机浆料层，再对有机浆料层进行碳化处理以获得多孔层，也可以通过对有机浆料进行纺丝，再碳化处理的方法获得碳纤维层。
本发明的一优选实施例中，所述气体扩散层2为由碳丝交织构成的碳纤维层。由于碳纤维层中通过碳丝的交织所形成的孔的孔径分布较为宽泛，孔道结构复杂，可以包括大孔、介孔和微孔等多种孔道结构，由大小不等的孔径组成的气体扩散层2更有利于水的排出，且有利于反应气体的均匀分布，提高反应气体的利用率，并且，该碳纤维层可通过静电纺丝工艺对有机浆料进行纺丝，再通过对所纺制的有机浆料层进行碳化获得，制备工艺简单，成本较低。
进一步优选的，所述碳丝的表面形成有多孔结构。这样一来，能够进一步提高气体扩散层2的比表面积，提高反应气体的利用率。
本发明的又一实施例中，所述气体扩散层2的孔隙率为50％-85％。孔隙率是指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比。材料的孔隙率越高，则表示密实程度越小，越有利于气体的扩散和传输。
本发明的又一实施例中，所述气体扩散层2的孔径分布范围为10纳米-5微米。在这种既包括介孔，又包括微孔和大孔结构的气体扩散层2有利于降低水的表面张力，从而有利于产物水的排出，并且有利于使气体原料均匀分布，提高反应气体的利用率。
另一方面，本发明实施例提供一种如上所述的燃料电池组件的制备方法，包括：
通过静电纺丝工艺将有机浆料纺制在所述双极板的一侧表面，通过煅烧对形成在所述双极板一侧表面的有机浆料层进行碳化处理，并使经碳化处理形成的气体扩散层与所述双极板的界面之间以化合物或固溶体的形式结合。
本发明实施例提供一种燃料电池组件的制备方法，通过采用静电纺丝工艺在所述双极板的一侧表面纺制有机浆料层，并通过煅烧对所述有机浆料层进行碳化处理，能够获得由碳纤维材料构成的气体扩散层，同时，通过煅烧还能够使所述碳纤维材料与所述双极板的界面以化合物或固熔体的形式结合，与现有技术中通过端板紧固的方式将所述双极板与所述气体扩散层组装相比，所述气体扩散层与所述双极板通过界面结合连接为一体结构，能够提高所述双极板和所述气体扩散层之间的结合紧密度，可有效降低所述双极板和所述气体扩散层之间的界面接触电阻，提高所述双极板与所述气体扩散层之间的导电性能，从而能够提高电堆的整体功率密度。
本发明的又一实施例中，所述煅烧的温度为500-3000℃，时间为30s-60min。
其中，可以采用高温碳化法或者激光烧蚀法进行煅烧，所述煅烧可以为有氧煅烧，也可以为缺氧煅烧。
其中，需要说明的是，当所述双极板朝向所述气体扩散层的一侧表面设置有流道时，所述流道可通过雕刻、冲压、印刷等方法形成。这时，所述有机浆料层与形成流道的结构层远离所述双极板的一侧表面接触，并且通过煅烧所形成的气体扩散层与所述形成流道的结构层远离所述双极板的一侧表面以化合物或固溶体的方式结合，因此，这里所述形成流道的结构层的材料可以为能够与碳纤维层形成化合物或固溶体的材料。
另外，为了避免有机浆料层发生形变，甚至填充在流道中造成流道的堵塞，优选的，所述有机浆料的粘度为200-800dPa·s。其中粘度可以通过控制有机浆料的浓度以及静电纺丝工艺中各种影响参数(如操作电压等)来调节。
本发明的一实施例中，所述有机浆料层的厚度为5微米-40微米。太厚容易发生变形，太薄不利于气体扩散层的形成。
本发明的又一实施例中，所述有机浆料选自聚氨酯、聚碳酸酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯、聚吡咯和聚苯胺中的一种或两种以上混合物。这些高分子材料具有良好的耐酸腐蚀性能，能够满足气体扩散层的耐酸腐蚀性能的要求，提高气体扩散层的稳定性。
本发明的又一实施例中，所述有机浆料所采用的溶剂为水、DMF和DMSO中的一种或几种混合物。这些溶剂挥发性较小，对环境较为友好。
本发明的一实施例中，所述有机浆料中还包含有可加热分解的硝酸盐。通过在所述有机浆料中添加可加热分解的硝酸盐，在煅烧时，这些硝酸盐受热分解，可在碳丝上形成多孔结构，有利于丰富气体扩散层的孔径结构，从而更有利于水的排出以及反应气体的均匀分布，能够进一步提高反应气体的利用率。
优选的，所述可加热分解的硝酸盐选自硝酸铁、硝酸钴和硝酸镍中任一或任意组合。
本发明的又一实施例中，在煅烧之前还包括对所述有机浆料层进行预氧化处理。碳化处理指的是将有机物去掉其他元素留下碳。因此，通过对有机浆料层进行预氧化处理，能够增加有机浆料层中的氧原子，这样一来，在碳化处理时氧元素与氢元素以水分子的形式脱去，能够形成孔隙结构更加丰富的碳纤维层。
本发明的再一实施例中，所述方法还包括：对煅烧后形成的双极板进行压平处理。使得表面光滑，方便组装并减少接触电阻。
其中，所述压平处理的压力范围为0.15-6MPa。
以下，本发明实施例将通过实施例对本发明进行说明。这些实施例仅是为了具体说明本发明而提出的示例，本领域技术人员可以知道的是本发明的范围不受这些实施例的限制。
实施例1
1、配制电纺液：
选用按硝酸铁(分析纯AR)的质量分数为3％，无水乙醇(分析纯)质量分数为31％，去离子水质量分数为28％，聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为38％的配比配制电纺液，其粘度为200dPa·s。
2、制备气体扩散层：
控制电纺电压为20kV，电纺时间为1-30min。在碳双极板上雕刻有宽度为2mm的流道，在形成流道的结构层远离所述双极板的表面一侧纺制出厚度为5μm的高分子纤维层；
将附着高分子纤维层的双极板置于280℃条件下，在空气中预氧化一小时，再放入高温炉中，在惰性气氛下(氩气或氮气)1000℃煅烧60min，形成碳纤维层(孔隙率为50％，孔径分布范围为10纳米-5微米)，所述碳纤维层与形成流道的结构层(碳材料)的表面形成固溶体，结合为一体结构。
对所述碳纤维层与形成流道的结构层(碳材料)的表面之间的界面电阻进行测试，测得电阻值为0.3Ω。
实施例2
1、配制电纺液：
选用按硝酸钴(分析纯AR)的质量分数为4％，DMF(分析纯)质量分数为20％，去离子水质量分数为25％，聚乙烯的质量分数为51％的配比配制成溶液，其粘度为800dPa·s
2、制备气体扩散层：
控制电纺电压为20kV，电纺时间为1-30min。在金属双极板上印刷有宽度为20微米的流道，在形成流道的结构层(碳导电浆料)远离所述双极板的表面一侧纺制出厚度为20μm的高分子纤维层；
将附着高分子纤维层的双极板置于280℃条件下，在空气中预氧化一小时，再放入高温碳化炉中，在500℃煅烧40min，形成碳纤维层(孔隙率为85％，孔径分布范围为10纳米-5微米)，所述碳纤维层与形成流道的结构层(碳材料)的表面形成固溶体，结合为一体结构。
对所述碳纤维层与形成流道的结构层(碳材料)的表面之间的界面电阻进行测试，测得电阻值为0.35Ω。
实施例3
1、配制电纺液：
选用按DMSO的质量分数为30％，去离子水质量分数为25％，聚氨酯的质量分数为45％的配比配制电纺液，其粘度为300dPa·s。
2、制备气体扩散层：
控制电纺电压为20kV，电纺时间为1-30min。在金属双极板上冲压形成有宽度为1mm的流道，并在金属双极板上镀钛，在形成流道的结构层(金属)远离所述双极板的表面(镀钛)一侧纺制出厚度为20μm的高分子纤维层；
将附着高分子纤维层的双极板置于280℃条件下，在空气中预氧化一小时，再在3000℃采用激光烧蚀法煅烧30s，形成碳纤维层(孔隙率为60％，孔径分布范围为10纳米-5微米)，所述碳纤维层与形成流道的结构层(镀钛)的表面形成化合物碳化钛，结合为一体结构。
对所述碳纤维层与形成流道的结构层的表面之间的界面电阻进行测试，测得电阻值为0.36Ω。
实施例4
1、配制电纺液：
选用按DMSO的质量分数为35％，去离子水质量分数为20％，聚碳酸酯的质量分数为45％的配比配制电纺液，其粘度为400dPa·s。
2、制备气体扩散层：
控制电纺电压为20kV，电纺时间为1-30min。在金属双极板(主要成分为铁)的一侧表面纺制出厚度为20μm的高分子纤维层；
将附着高分子纤维层的双极板置于280℃条件下，在空气中预氧化一小时，再在2000℃采用激光烧蚀法煅烧30s，形成碳纤维层(孔隙率为70％，孔径分布范围为10纳米-5微米)，所述碳纤维层与所述金属双极板的表面形成化合物碳化铁，结合为一体结构。
对所述碳纤维层与所述金属双极板的表面之间的界面电阻进行测试，测得电阻值为0.34Ω。
对比例
在碳双极板上雕刻宽度为2mm的流道，并将碳双极板上的流道朝向30微米厚度的碳纸，并通过端板紧固(挤压力为2Mpa)的方式组装在一起。对碳纸和碳双极板之间的界面进行电阻测试，测得电阻值为0.806Ω。
综上所述，通过将所述气体扩散层与所述双极板的界面之间通过形成化合物或固溶体的方式结合，与现有技术中通过端板紧固的方式将所述双极板与所述气体扩散层组装相比，所述气体扩散层与所述双极板通过界面结合连接为一体结构，能够提高所述双极板和所述气体扩散层之间的结合紧密度，可有效降低所述双极板和所述气体扩散层之间的界面接触电阻，提高所述双极板与所述气体扩散层之间的导电性能，从而能够提高电堆的整体功率密度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种燃料电池组件，其特征在于，包括：双极板，以及设置在所述双极板一侧的气体扩散层；所述双极板为石墨板，所述气体扩散层为碳布时，所述气体扩散层与所述双极板之间通过固溶体的形式进行结合。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，当所述双极板朝向所述气体扩散层的一侧表面设置有流道时，所述气体扩散层与形成所述流道的结构层远离所述双极板的表面之间通过形成固溶体的方式结合。
3.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述气体扩散层为多孔层碳布。
4.根据权利要求3所述的燃料电池组件，其特征在于，所述气体扩散层的孔径分布范围为10纳米-5微米。
5.根据权利要求2所述的燃料电池组件，其特征在于，所述流道的宽度为20微米-2毫米。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的燃料电池组件的制备方法，其特征在于，包括：通过静电纺丝工艺将有机浆料纺制在所述双极板的一侧表面，通过煅烧对形成在所述双极板一侧表面的有机浆料层进行碳化处理，并使经碳化处理形成的气体扩散层与所述双极板的界面之间以固溶体的形式结合。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为500-3000℃，时间为30s-60min。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述有机浆料中还包含有可加热分解的硝酸盐。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述有机浆料的粘度为200-800dPa·s。
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