CN109860652A - 一种用于燃料电池或水电解池的流场板、其制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于燃料电池或水电解池的流场板，所述流场板包含多孔网；所述多孔网表面亲水或所述多孔网表面具有亲水层。应用所述流场板形成的流场，在毛细吸附作用下，水在网孔隙中储存，并以其活度差为驱动力在表面张力作用下通过孔隙定向传导，从而使多孔网具备储水、定向导水的功能，进而达到燃料电池内增湿或排出生成水的效果。本申请还公开了上述流场板的制备方法和应用上述流程部的燃料电池或水电解池。
Description
技术领域
本申请涉及一种用于燃料电池或水电解池的流场板，属于材料领域。
背景技术
随着化石能源的日益枯竭，环境污染和气候变化形势的日益严峻，清洁能源已经引起了世界各国的高度重视。燃料电池具有清洁、高效、功率密度高以及低温快速启动等优点，在军事领域、车载电源和分布式发电等领域有着广泛的应用。水电解制氢也在能源及化工领域有重要作用。
现有的燃料电池流场多为碳基材料表面通过雕刻出流道而形成的流场，或者为通过在平面金属板表面粘贴带流道的石墨片而形成的流场，亦或是通过金属板压制出沟槽形成的流场。在这些流场中，通过高的气体流速将电池中的生成水吹扫出电堆，水的传输动力来自于气体吹扫，因此要求气体流速快，即反应气与生成水具有高的化学计量比，反应气的利用率很低，或者需要安装气体循环泵。此外，燃料电池的反应气需要通过增湿来提高其反应性能，通常需采用外部增湿罐，这无疑会增加系统的复杂性。
如何得到兼具储水、定向导水的流场，实现电池的内增湿，还能让体系更简单、低成本、降低能耗，是亟待解决的技术问题。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供一种具有储水及定向导水功能的多孔网流场板，其应用于燃料电池或水电解池形成流场时，能实现电池的内增湿，并能定向导水，从而有效提高反应气的利用率。
采用多孔网制作流场板并应用于流场，一方面可以使电池生成水通过毛细作用力驱动排出，避免采用高的反应气/生成水化学计量比，提高反应气利用率；另一方面还可以将电池生成水存储在空隙中，并通过毛细力逆流至反应气入口，用于反应气的增湿。
本申请提供的流场板，其特征在于，所述流场板包含多孔网；所述多孔网表面亲水或所述多孔网表面具有亲水层。
优选地，所述多孔网表面上水的润湿角小于等于90度。
进一步优选地，所述多孔网表面上水的润湿角小于等于60度。
可选地，所述多孔网表面上水的润湿角范围下限选自3度、5度、8度、10度、20度、24度、30度，上限选自20度、24度、30度、45度、60度。
再进一步优选地，所述多孔网表面上水的润湿角为3度～60度。
所述多孔网选自冲孔网、编织网、拉伸网、泡沫网、粉末冶金网中的至少一种。
上述任一多孔网至少一个部位的厚度为0.1mm～1cm。
优选地，上述任一多孔网的厚度为0.1mm～5mm。
上述任一多孔网至少一部分孔径分布在为0.1μm～5mm的范围内。
优选地，上述任一多孔网的孔径分布，孔径在1μm～1mm的孔隙体积超过所述多孔网的孔隙总体积的90％。
所述多孔网为金属网；所述金属网选自铜、铁、镍、不锈钢、金、银、钛或钛合金中的一种。
所述多孔网为非金属网；所述非金属网选自碳、聚丙烯、醋酸纤维酯、聚醚砜、聚酯中的一种。
所述多孔网表面的亲水层选自聚乙烯醇、聚乙二醇、钛氧化物、硅氧化物、银、金、铂、聚醚砜、亲水石墨、亲水石墨烯中的至少一种。
根据本申请的另一个方面，提供一种用于燃料电池或水电解池的流场板的制备方法，其特征在于，所述流场板包含多孔网，对所述多孔网的表面进行亲水处理。
所述亲水处理所述亲水处理包括向所述多孔网的孔内部涂覆亲水性物质，和/或增加所述多孔网的孔表面或表面涂层粗糙度。
所述亲水性物质选自聚乙烯醇、聚乙二醇、钛氧化物、硅氧化物、银、金、铂、聚醚砜、亲水石墨、亲水石墨烯中的至少一种。
所述增加多孔网的孔表面涂层粗糙度的方法选自脉冲电沉积、真空离子镀、表面刻蚀、烧蚀后还原、离子束轰击、湿化学法、热化学法中的至少一种。
根据本申请的又一个方面，提供一种用于燃料电池或水电解池，其特征在于，燃料电池或水电解池包括上述任一流场板和/或采用上述任一制备方法制备得到的流场板中的至少一种。
本申请能产生的有益效果包括：
(1)本申请提供的多孔网流场板，具有储水及定向导水功能。
(2)本申请提供的多孔网流场板的应用，可以使电池生成水通过毛细作用力驱动排出，避免采用高的反应气/生成水化学计量比，提高反应气利用率。
(3)本申请提供的多孔网流场板的应用，可以将电池生成水存储在空隙中，并通过毛细力逆流至反应气入口，用于反应气的增湿。
附图说明
图1为根据本申请一个具体实施方案的燃料电池生成水从电极表面渗透进入多孔网并进行传输的过程的示意图。
图2为根据本申请一个具体实施方案的材质为不锈钢的多孔网的示意图。
图3为根据本申请具体实施方案的采用及不采用多孔网流场时的单池运行情况对比。
图4为根据本申请具体实施方案的采用及不采用多孔网流场实现电池排水时电池运行情况对比。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于下述实施例。
实施例1铜多孔泡沫网流场板
取一厚度为0.1mm，中位孔径尺寸为1μm的泡沫铜网，通过湿化学法向铜多孔网的孔表面涂覆一层二氧化硅亲水层，得到的亲水层的润湿角为5度。
得到所述用于燃料电池的多孔网流场板，记为样品1#。
实施例2碳纤维多孔网流场板
取一厚度为1cm，中位孔径尺寸为100μm的品牌为东丽Toray的碳纤维多孔网，通过真空离子镀的方法向碳纤维多孔网的孔中涂覆一层亲水石墨烯，得到的亲水层的润湿角为60度。
得到所述用于水电解池的多孔网流场，记为样品2#。
实施例3不锈钢多孔编织网流场板
取一厚度为5mm，中位孔径尺寸为50μm的不锈钢编织网，通过脉冲电沉积法向不锈钢多孔网上沉积一层贵金属铂，并通过离子束轰击使得其表面粗糙化，得到的亲水层的润湿角为10度，将其一端放入水中，1min内的润湿高度达到8cm。
得到所述用于燃料电池的多孔网流场，记为样品3#。
实施例4镍多孔冲孔网流场板
取一厚度为0.5mm，中位孔径尺寸为100μm的冲孔镍网，通过脉冲电沉积法向镍多孔网的孔表面涂覆贵金属银亲水层，得到的亲水层的润湿角为20度。
得到所述用于燃料电池的多孔网流场板，记为样品4#。
实施例5钛多孔拉伸网流场板
取一厚度为1mm，中位孔径尺寸为10μm的钛多孔拉伸网，通过湿化学法和烧蚀后还原法向钛多孔网的孔表面涂覆贵金属金亲水层，得到的亲水层的润湿角为30度。
得到所述用于燃料电池的多孔网流场板，记为样品5#。
实施例6钛合金粉末冶金多孔网流场板
取一厚度为3mm，中位孔径尺寸为5mm的钛合金粉末冶金多孔网，通过湿化学法和烧蚀后还原法向钛合金粉末冶金多孔网的孔表面涂覆二氧化钛亲水层，得到的亲水层的润湿角为8度。
得到所述用于燃料电池的多孔网流场板，记为样品6#。
实施例7聚丙烯多孔网流场板
取一厚度为1mm，中位孔径尺寸为5mm的聚丙烯多孔网，通过热化学法向聚丙烯多孔网的孔表面涂覆聚乙烯醇亲水层，得到的亲水层的润湿角为24度。
得到所述用于燃料电池的多孔网流场板，记为样品7#。
实施例8醋酸纤维酯多孔网流场板
取一厚度为1mm，中位孔径尺寸为2mm的醋酸纤维酯多孔网，通过湿化学法法向醋酸纤维酯多孔网的孔表面涂覆聚乙二醇亲水层，得到的亲水层的润湿角为3度。
得到所述用于燃料电池的多孔网流场板，记为样品8#。
实施例9聚酯多孔网流场板
取一厚度为1mm，中位孔径尺寸为2mm的聚酯多孔网，通过热化学法向聚酯多孔网的孔表面涂覆聚醚砜亲水层，得到的亲水层的润湿角为45度。
得到所述用于燃料电池的多孔网流场板，记为样品9#。
实施例10不锈钢多孔编织网流场板在氢-空燃料电池中的应用
本实施例采用实施例3中样品3#制备的不锈钢多孔编织网流场板来形成多孔板流场。图1燃料电池生成水从电极表面渗透进入多孔网并进行传输的过程的示意图，图1中下方为燃料电池电极表面，生成水沿箭头方向扩散传输。图2是工作状态在电极表面的不锈钢多孔编织网的图像。
氢-空燃料电池的结构从左至右依次为左端板、密封线、集流板、密封线、氢气单极板、多孔网流场、密封线、膜电极、密封线、多孔网流场、氧气单极板、密封线、集流板、右端板。
膜电极有效面积为300cm2。氢气和空气不经过增湿器，直接由气源通入电池，二者的背压均为0.02MPa。氢气化学计量比为1.5，空气化学计量比为2.0。测试电池在400mA cm-2下的运行曲线。该燃料电池实现了内增湿，从而避免使用外部增湿器。
作为对比实施方式，氢气和空气不经过增湿器，直接由气源通入不含有实施例3制备的多孔网流场板形成的流场的单池，测试其运行曲线，二者对比情况见附图3。
实施例11铜多孔泡沫网流场板在氢-氧燃料电池中的应用
本实施例采用实施例1中样品1#制备的铜多孔泡沫网流场板来形成多孔板流场。
氢-氧燃料电池的结构从左至右依次为左端板、密封线、集流板、密封线、可分水氢气单极板、多孔网流场、密封线、膜电极、密封线、多孔网流场、可分水氧气单极板、密封线、集流板、右端板。
膜电极有效面积为200cm2。高纯氢气和高纯氧气直接通入燃料电池，且氢气和氧气均为零尾排，即二者化学计量比为1。测试电池在600mA cm-2下的运行曲线。该燃料电池实现了低气体流速下的定向导水，从而提高了气体利用率。
作为对比实施方式，不含实施例1所制备的多孔网流场板形成的流场的电池也在相同条件下进行实验，测试其运行曲线，二者对比情况见附图4。
采用实施例2至9中的样品2#至样品9#获得的电池性能与样品1#一致。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种用于燃料电池或水电解池的流场板，其特征在于，所述流场板包含多孔网；
所述多孔网表面亲水或所述多孔网表面具有亲水层。
2.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于，所述多孔网表面上水的润湿角小于90度；
优选地，所述多孔网表面上水的润湿角为3度～60度。
3.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于，所述多孔网选自冲孔网、编织网、拉伸网、泡沫网、粉末冶金网中的至少一种。
4.根据权利要求1至2任一项所述的流场板，其特征在于，所述多孔网至少一个部位的厚度为0.1mm～1cm；
优选地，所述多孔网至少一部分孔径分布在0.1μm～5mm的范围内。
5.根据权利要求1至2任一项所述的流场板，其特征在于，所述多孔网的孔径分布，孔径在1μm～1mm的孔隙体积超过所述多孔网的孔隙总体积的90％。
6.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于，所述多孔网为金属网；所述金属网选自铜、铁、镍、不锈钢、金、银、钛或钛合金中的一种。
7.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于，所述多孔网为非金属网；所述非金属网选自聚醋酸纤维酯、聚醚砜、聚酯中的一种。
8.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于，所述多孔网表面的亲水层选自聚乙烯醇、聚乙二醇、钛氧化物、硅氧化物、银、金、铂、聚醚砜、亲水石墨、亲水石墨烯中的至少一种。
9.一种用于燃料电池或水电解池的流场板的制备方法，其特征在于，所述流场板包含多孔网，对所述多孔网的表面进行亲水处理；
优选地，所述亲水处理包括向所述多孔网的孔内部涂覆亲水性物质，和/或增加所述多孔网的孔表面或表面涂层粗糙度；
进一步优选地，所述亲水性物质选自聚乙烯醇、聚乙二醇、钛氧化物、硅氧化物、银、金、铂、聚醚砜、亲水石墨、亲水石墨烯中的至少一种；
进一步优选地，所述增加所述多孔网的孔表面或表面涂层粗糙度的方法，选自脉冲电沉积、真空离子镀、表面刻蚀、烧蚀后还原、离子束轰击、湿化学法、热化学法中的至少一种。
10.一种燃料电池或水电解池，其特征在于，所述燃料电池或水电解池包括权利要求1至8任一项所述流场板和/或采用权利要求9所述制备方法制备得到的流场板中的至少一种。
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