CN110112425A - 一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，包括面内沿流道方向梯度分布的疏水介质，保证电池反应过程中气体扩散层水分布的均匀性；沿面内垂直流道方向上的纤维排布，能提高气体扩散层与极板之间的导热能力；贯穿平面方向孔隙率呈梯度布置，有利于电池反应生成水从气体扩散层下表面传递至上表面；极板脊下与流道下气体扩散层结构设计不同，脊下气体扩散层结构为凹型，防止过度压缩引起的气体扩散层内孔隙率过小，减缓脊下气体扩散层的积水情况。与现有技术相比，本发明能有效保证气体扩散层内水和热的一致性，增强燃料电池排水和散热能力，增加电池内反应气体传质，提高电池反应效率。

Description

一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层。

背景技术

能源是现代社会耐以生存和发展的基础。随着人类社会的不断进步，人类耐以生存的煤炭，石油天然气等化石燃料正在逐渐枯竭，氢燃料被认为是未来的可持续发展的清洁能源，燃料电池由于其高能效和低排放等优点，成为最具有前景的供能装置，特别是对于汽车的应用，因为他们在低温下具有高能量密度，快速启动，零排放和系统稳定等特点。是一种新型高效环保的供能装置。

燃料电池的关键组件膜电极组件主要是由气体扩散层，催化层和质子交换膜组成。其中气体扩散层是膜电极组件中的重要部件，它不直接参与化学反应，但起着重要的传质和导电功能，为反应气体从极板流道到催化层提供传递路径；为产生的水从催化层到极板流场通道提供通路；连接双极板与催化层，使之成为完整电路；气体扩散层将催化层反应产生的热量传导至双极板；对MEA起支撑作用，现有的气体扩散层基本能实现上述功能，但是当燃料电池工作在高电流密度下，气体扩散层易发生“水淹”现象，面内水分布不一致导致传质不足以及反应的不均匀以及热分配不均匀等现象，从而降低电池的性能。

经过对现有技术的文献检索发现，中国发明专利CN 107293765A公开的一种燃料电池气体扩散层结构在气体扩散层的结构通过采用复合材料以及改变气体扩散层结构从而改善了排水性和透气性，但水分布的一致性以及提高散热能力仍有待改善。中国发明专利CN103828105A公开的导电性和气体渗透率改进的气体扩散层通过改善气体扩散层的制作工艺以及组成成分，改进了气体扩散层的气体渗透率和导电性，但是对于水分布和热管理的改进并没有涉及。可见大部分是对气体扩散层制备工艺，制造方法，新型材料，复合材料等方面进行改进，对气体扩散层自身的结构涉及的方面较少。中国专利CN106876743A公开了一种燃料电池气体扩散层结构，其厚度为3.0～5.0mm，包括一基底层和一微孔层，基底层的一侧具有气体流道，另一侧与微孔层相连，基底层的材质为金属纤维毡，微孔层上具有铜-石墨烯复相膜。该气体扩散层其厚度较大，制造成本高，降低了电堆的质量和体积功率密度，并且机械金属纤维与碳纤维复合材料结构，金属纤维在装配过程中不可避免会将碳纤维刺破造成机械损伤。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，改善燃料电池中热管理，水管理，气体传质。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，经疏水处理后在平面内沿气体流动方向上的疏水物质的含量呈差异化分布，在平面内垂直气体流动方向上设有碳纤维，该碳纤维设置的方向垂直于气体流动方向，在气体扩散层贯穿平面的方向上差异化分布有孔隙。通过改变气体扩散层面内疏水物质排布方式，纤维排布方式，贯穿平面方向的孔隙率分布以及气体扩散层的结构的方法，优化了气体扩散层的水管理和热管理，对提升燃料电池性能意义重大。

所述疏水物质的含量沿气体流动方向呈梯度分布，从气体入口到出口方向疏水物质含量逐渐升高。燃料电池在工作时，气体反应会产生水，并且产生的水会沿着气体流动方向上逐渐累积增多，导致膜电极中水含量在沿气体流动方向上是逐渐增加的，甚至在部分区域可能出现水淹现象。因此该梯度分布的气体扩散层具有随着水含量的增加排水能力增强的效果，可以保证膜电极沿气体流动方向上水分布的一致性，有利于反应的一致性，提高电池性能。

优选地，所述疏水物质的含量沿气体流动方向为线性分布。

优选地，所述疏水物质的质量含量为5-35wt％，当疏水物质质量含量低于5wt％，气体扩散层排水能力较差，易导致电池内部发生“水淹”，当疏水物质含量大于35wt％，气体扩散层排水能力过强，会导致电堆反应过程中质子交换膜的脱水，其中含量的最高值与最低值的差值不大于5wt％，当质量含量差值大于5wt％，气体扩散层排水能力变化范围大于气体扩散层水含量分布差异的范围，不利于气体扩散层水分布的一致性。

优选地，所述疏水物质为聚四氟乙烯。

优选地，气体扩散层浸泡在聚四氟乙烯溶液中一段时间，然后缓慢匀速拉出，通过浸润时间的不同实现疏水物质排布含量，之后进行烧结。

优选地，气体扩散层整体浸润时间不低于10min。

气体扩散层的碳纤维在面内的排布为具有一定的指向性，碳纤维的方向沿着垂直流道的方向排布。燃料电池在工作时，脊下与流道下散热能力不同，脊下膜电极直接与极板接触散热能力较好，流道下热量主要通过气体扩散层传递到脊下，因此垂直流道排布的纤维有利于热量传递到极板，提高散热性能。水沿着纤维方向流动性能最佳，发明中的纤维排列方向使得燃料电池极板脊下生成水更容易扩散到流道内，防止发生脊下积水。

优选地，所述碳纤维排布方向在垂直与气体流动方向的-45°～+45°范围内。

优选地，所述碳纤维分布在沿垂直流道方向上，角度分布范围为-30°～+30°。

优选地，碳纤维的长度范围为2～5mm。

气体扩散层在贯穿平面方向上孔隙率采用差异式设计，在沿着催化层到流道的方向上，孔隙率逐渐增大。燃料电池工作时，催化层产生的水需要经过气体扩散层排出，当气体扩散层贯穿平面方向上沿着催化层到流道的孔隙率逐渐增大的时候，毛细阻力也逐渐减小，因此更有利于水从气体扩散层中排出在催化层到流道方向上的孔隙率逐渐增大。

优选地，贯穿平面沿催化层到流道方向上的孔隙率分布为线性分布。

优选地，气体扩散层的平均孔隙率为0.78～0.8，孔隙率过低不利于气体和水的传质影响电池性能，孔隙率过高降低气体扩散层刚度，增加气体扩散层体电阻。

所述气体扩散层厚度方向上间隔分布极板脊下气体扩散层结构及极板流道下气体扩散层结构，所述极板脊下气体扩散层结构的厚度小于所述极板流道下气体扩散层结构的厚度。极板压到气体扩散层上时，对于厚度一致的气体扩散层来说，板脊下气体扩散层结构部分气体扩散层压缩率较大，降低板脊下气体扩散层结构的孔隙率，会导致脊下积水情况加剧，不利于传质，将板脊下气体扩散层结构设计成内凹结构时，压缩相同位移，板脊下气体扩散层结构压缩率变化小，对孔隙率变化的影响小，有利于板脊下气体扩散层结构的排水，进而增强传质。

优选地，极板脊下气体扩散层结构为内凹结构，极板流道下气体扩散层结构为平面结构。

优选地，极板脊下气体扩散层结构由于内凹造成的减薄率不大于整个厚度的12％，减薄率过大时气体扩散层易出现机械损伤，压缩时应力集中明显，并且不利于气体扩散层面内的传质。

优选地，极板脊下气体扩散层结构的形状为圆弧型。

优选地，所述极板脊下气体扩散层结构与所述极板流道下气体扩散层结构之间呈平缓过渡。

优选地，极板脊下气体扩散层的结构小于等于极板流道下气体扩散层结构。

与现有技术相比，本发明通过改变气体扩散层面内疏水物质排布方式，纤维排布方式，贯穿平面方向的孔隙率分布以及气体扩散层的结构的方法，优化了气体扩散层的水管理和热管理，能有效保证气体扩散层内水和热的一致性，增强燃料电池排水和散热能力，增加电池内反应气体传质，提高电池反应效率。

附图说明

图1为质子交换膜燃料电池的气体扩散层的结构示意图；

图2为质子交换膜燃料电池的气体扩散层的横截面示意图；

图3为适用于直流道或蜿蜒流道的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的俯视示意图；

图4为适用于蛇形流道的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的俯视示意图；

图5为质子交换膜燃料电池的气体扩散层压缩前状态示意图；

图6为质子交换膜燃料电池的气体扩散层压缩后状态示意图。

图中，1为气体扩散层本体，2为疏水物质，3为极板脊下气体扩散层结构，4为极板流道下气体扩散层结构，5为孔隙，6为碳纤维分布方向，7为入口，8为出口，9为极板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，包括面内沿流道方向梯度分布的疏水介质，保证电池反应过程中气体扩散层水分布的均匀性；沿面内垂直流道方向上的纤维排布，能提高气体扩散层与极板之间的导热能力；贯穿平面方向孔隙率呈梯度布置，有利于电池反应生成水从气体扩散层下表面传递至上表面；极板脊下与流道下气体扩散层结构设计不同，脊下气体扩散层为凹型，防止过度压缩引起的气体扩散层内孔隙率过小，减缓脊下气体扩散层的积水情况。

疏水物质的含量沿气体流动方向呈梯度分布，从气体入口到出口方向疏水物质含量逐渐升高。燃料电池在工作时，气体反应会产生水，并且产生的水会沿着气体流动方向上逐渐累积增多，导致膜电极中水含量在沿气体流动方向上是逐渐增加的，甚至在部分区域可能出现水淹现象。因此该梯度分布的气体扩散层具有随着水含量的增加排水能力增强的效果，可以保证膜电极沿气体流动方向上水分布的一致性，有利于反应的一致性，提高电池性能。

为了获得更好的效果，疏水物质的含量沿气体流动方向为线性分布，使用的疏水物质的质量含量为5-35wt％，其中含量的最高值与最低值的差值不大于5wt％。

在制作时，气体扩散层浸泡在疏水物质，例如聚四氟乙烯溶液中不低于10min，然后缓慢匀速拉出，通过浸润时间的不同实现疏水物质排布含量，之后进行烧结。

气体扩散层的碳纤维在面内的排布为具有一定的指向性，碳纤维的方向沿着垂直流道的方向排布。燃料电池在工作时，脊下与流道下散热能力不同，脊下膜电极直接与极板接触散热能力较好，流道下热量主要通过气体扩散层传递到脊下，因此垂直流道排布的纤维有利于热量传递到极板，提高散热性能。水沿着纤维方向流动性能最佳，发明中的纤维排列方向使得燃料电池极板脊下生成水更容易扩散到流道内，防止发生脊下积水。

具体来说，碳纤维排布方向在垂直与气体流动方向的-45°～+45°范围内，更好的来说在-30°～+30°的角度范围内分布，使用的碳纤维的长度范围为2～5mm。

气体扩散层在贯穿平面方向上孔隙率采用差异式设计，在沿着催化层到流道的方向上，孔隙率逐渐增大。燃料电池工作时，催化层产生的水需要经过气体扩散层排出，当气体扩散层贯穿平面方向上沿着催化层到流道的孔隙率逐渐增大的时候，毛细阻力也逐渐减小，因此更有利于水从气体扩散层中排出在催化层到流道方向上的孔隙率逐渐增大。

为了获得更好的效果，贯穿平面沿催化层到流道方向上的孔隙率分布为线性分布，气体扩散层的平均孔隙率为0.78～0.8。

气体扩散层厚度方向上间隔分布极板脊下气体扩散层结构及极板流道下气体扩散层结构，极板脊下气体扩散层结构的厚度小于极板流道下气体扩散层结构的厚度。极板压到气体扩散层上时，对于厚度一致的气体扩散层来说，板脊下气体扩散层结构部分气体扩散层压缩率较大，降低板脊下气体扩散层结构的孔隙率，会导致脊下积水情况加剧，不利于传质，将板脊下气体扩散层结构设计成内凹结构时，压缩相同位移，板脊下气体扩散层结构压缩率变化小，对孔隙率变化的影响小，有利于板脊下气体扩散层结构的排水，进而增强传质。

采用的极板脊下气体扩散层结构为内凹结构，极板脊下气体扩散层结构由于内凹造成的减薄率不大于整个厚度的12％，内凹结构为圆弧型，也可选择矩形等其他凹陷结构，极板流道下气体扩散层结构为平面结构。极板脊下气体扩散层结构与所述极板流道下气体扩散层结构之间呈平缓过渡。极板脊下气体扩散层的结构小于等于极板流道下气体扩散层结构。

以下是更加详细的实施案例，通过以下实施案例进一步说明本发明的技术方案以及所能够获得的技术效果。

实施例1

质子交换膜燃料电池的气体扩散层1，其厚度为200μm，平均孔隙率为0.79。适用于直流道或蜿蜒流道，如图1、图2、图3、图5和图6所示，质子交换膜燃料电池的气体扩散层1由碳纤维制作而成，整个气体扩散层需经过疏水处理，保证其排水性能。梯度分布的疏水物质2沿直或蜿蜒流道入口到出口方向，疏水物质含量逐渐增加，其聚四氟乙烯的质量含量范围为19-21wt％，在图1和图3中，颜色越深表示疏水物质2的含量越高。极板脊下气体扩散层结构3与极板流道下气体扩散层结构4的结构也不相同。极板流道下气体扩散层结构3为平面，极板脊下气体扩散层结构4为圆弧状，也可选择矩形等其他凹陷结构，其脊下气体扩散层减薄率为10％。脊下气体扩散层结构3与极板流道下气体扩散层结构的宽度均为1mm，两种结构在气体扩散层上交错排列。气体扩散层需要一定的孔隙来传质和排水，从催化层到流道方向上气体扩散层的孔隙5，其孔隙在催化层侧为0.75，流道侧为0.83孔隙率线性逐渐增大，如图2和图5中箭头方向所示，毛细压差不同有利于排水。气体扩散层内的碳纤维分布方向6呈垂直于流道方向，碳纤维排布方向在垂直与气体流动方向的-30°～+30°范围内，热量由纤维传递到极板，如图1、3、5中的箭头所示的方向。

本发明的工作状态如下：气体扩散层的压缩前状态如图1和图5所示，在工作环境下质子交换膜燃料电池的气体扩散层1与极板9接触，质子交换膜燃料电池的气体扩散层1被压缩，如图6所示。极板脊下气体扩散层结构3与极板脊下充分接触，实现传热和导电。当燃料电池工作的时候，气体扩散层底部会有水和热量产生，并且电流会经过气体扩散层导向极板9，当水进入到气体扩散层底部的时候，由于梯度孔隙结构5导致贯穿平面方向上各处的毛细力大小不同，气体扩散层底部毛细力较强，气体扩散层上层毛细力较弱，水在毛细力压差的作用下加速将水排出，与传统孔隙率为常数的气体扩散层相比，气体扩散层内的水残余量降低了40％；

在面内沿着气体流动方向上，由于入口部位气体会带走一部分气体扩散层内部的一些水，随着气体中水的饱和度增加，排水能力逐渐降低，设置了沿流道方向梯度分布的疏水物质2，入口部位疏水物质浓度较低，排水能力较弱，随着疏水物质浓度的增加排水能力逐渐增强，水到达气体扩散层上表面时会被吹走，使整个气体扩撒层水含量基本一致，气体扩散层各部位水含量差值低于10％，从而保证膜电极内水分布的一致性。

在燃料电池运行过程中，超过90％的反应产生的热量由极板内冷却液带走，本发明的碳纤维排列方向有效改善热量传递路径，反应产热沿碳纤维快速到达极板冷却液流道，能降低电堆最高工作温度，可达2度以上，提高燃料电池散热速率。

当气体扩散层受压时，极板脊下气体扩散层受压部分孔隙率会下降，反应过程中产生的水会在集聚在极板脊下在气体扩散层中，导致传质阻力增加，极板脊下气体扩散层结构3设计成凹型，压缩后孔隙率变化减小，压缩率为15％时，相比传统碳纸，该结构脊下气体扩散层孔隙率比传统碳纸结构高10％，能减小水聚集的现象，增加传质。

本发明可改善直或蜿蜒流道燃料电池在工作状态中水分布和温度分布的一致性，提高散热能力和排水能力，减小传质阻力，提升燃料电池工作性能。

实施例2

质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其结构与实施例1基本相同，如图4所示，不同之处在于，本实施例适用于蛇形流道，气体扩散层的疏水物质2的含量在沿入口端到出口端方向的不同流道上含量逐渐增加，蛇形流道中，在流道的入口端到出口端方向上不同流道上水含量不同，且从入口端到出口端的流道水含量逐渐增加，因此本气体扩散层疏水物质2的含量分布能确保燃料电池内的水分布一致性。

本发明可改善直或蜿蜒流道燃料电池在工作状态中水分布和温度分布的一致性，提高散热能力和排水能力，减小传质阻力，提升燃料电池的工作性能。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，该气体扩散层经疏水处理，在平面内沿气体流动方向上的疏水物质的含量呈差异化分布，在平面内垂直气体流动方向上设有碳纤维，该碳纤维设置的方向垂直于气体流动方向，在气体扩散层贯穿平面的方向上差异化分布有孔隙。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述疏水物质的含量沿气体流动方向呈梯度分布，从气体入口到出口方向疏水物质含量逐渐升高。

3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述疏水物质的含量沿气体流动方向呈线性分布。

4.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述疏水物质的质量含量为5-35wt％，其中含量的最高值与最低值的差值不大于5wt％。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述疏水物质为聚四氟乙烯。

6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述碳纤维排布方向在垂直与气体流动方向的-45°～+45°范围内。

7.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，在催化层到流道方向上的孔隙率逐渐增大。

8.根据权利要求7所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述孔隙率为线性分布。

9.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层厚度方向上间隔分布极板脊下气体扩散层结构及极板流道下气体扩散层结构，所述极板脊下气体扩散层结构的厚度小于所述极板流道下气体扩散层结构的厚度。

10.根据权利要求9所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述极板脊下气体扩散层结构与所述极板流道下气体扩散层结构之间呈平缓过渡。