CN112072119B

CN112072119B - 一种燃料电池气体扩散层结构及其加工方法

Info

Publication number: CN112072119B
Application number: CN202010783407.1A
Authority: CN
Inventors: 尹必峰; 陈明山; 解玄; 贾和坤; 许晟; 唐捷旭; 陈鑫; 董非
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2040-08-06
Also published as: CN112072119A

Abstract

本发明提供了一种燃料电池气体扩散层结构及其加工方法，气体扩散层为靠近双极板一侧的基底层，所述气体扩散层表面设有若干相互交错连通的沟槽织构，若干相互交错连通的沟槽织构中沿流向的所述沟槽织构的横截面面积随流向先渐扩再后渐缩。沿流向的所述沟槽织构两端的横截面面积渐变，沿流向的所述沟槽织构中间的横截面面积保持不变；所述沟槽织构中间的横截面面积为两端的最小横截面面积的1.5～3倍。本发明沟槽织构可使液态水离开阴极，消除电极水淹现象允许适量的水润湿气流，保持膜电极的湿润。

Description

一种燃料电池气体扩散层结构及其加工方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池气体扩散层结构及其加工方法。

背景技术

近几十年，以煤炭、石油为主的传统能源被大量使用，造成严重的环境污染和自然资源的日益枯竭。因此我们急切渴望一种高效节能，具有低污染、低排放的清洁新能源。随着现代技术的日益成熟，人们把研究重心和精力投入到对燃料电池的研究，燃料电池作为一种能量转换装置具有很高的转换效率，被誉为未来理想的电能来源。质子交换膜燃料电池是燃料电池中最常见、应用最多的类型，以工作温度低、功率密度高、启动快、动态响应快等优点，近年来备受关注。

气体扩散层基底材料一般为碳纤维。该材料有利于改善电极的性能，需满足以下要求，包括均匀的多孔质结构、透气性好、导电能力强、结构紧密且表面平整、亲水和疏水性平衡、热稳定行好。这对气体扩散层的制备工艺即传统的热压法提出更大挑战。随着激光精密加工技术越来越获得市场上的认可，利用激光加工技术应用于气体扩散层表面加工，具有精度准、热效应好，易实现的优势，基本可取代传统的热压制备工艺。

气体扩散层位于催化剂层和双极板之间，是PEM燃料电池最为重要的零部件之一。在PEM燃料电池中，催化剂层、气体扩散层和膜电极夹在流场板之间，气体扩散层是膜电极最外层，为电极和双极板提供电接触，将反应物平均分配到催化剂层。气体扩散层有助于在PEM燃料电池中进行水管理，因为气体扩散层可以保留适量的水润湿膜电极，另外气体扩散层有助于生成物水的离开阴极，消除电极水淹现象。

燃料电池在运行过程中，阴极表面会持续不断地生成水，在高功率情况下，生成水的速率越来越快，若生成物水无法及时排出，将会引起水淹现象。导致气体通道堵塞，减少生成物的输送量，降低电池的性能。

现阶段有很多专利考虑到气体扩散层水淹现象。从材料角度：中国专利公开了一种具有疏水性的燃料电池气体扩散层的制备方法提出将基底层材料进行疏水处理，结合配制的微孔层浆料进行热处理，得到具有疏水性的燃料电池气体扩散层。从结构角度：中国专利公开了通过利用掺杂金刚石在气体扩散层表面形成孔隙不易形成水淹，设计一种孔隙依次扩大的方法，使液态水在孔隙中无法形成水膜，提高电池的稳定性。以上专利有助于改善燃料电池气体扩散层水淹现象，但加工工艺过于繁琐，耗时较长，不利于大规模商业化推广。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种燃料电池气体扩散层结构及其加工方法，通过在气体扩散层基底层表面加工沟槽织构，有助于促进水离开阴极以帮助消除电极水淹现象，同时仅允许适量的水接触膜电极来保持膜的湿润。本发明采用激光加工的方法，该方法易于实现，使用寿命长，工作状态稳定，无需改变气体扩散层材料，从改进结构的角度出发，开发了一种具有高效防“水淹”性能的燃料电池气体扩散层。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种燃料电池气体扩散层结构，气体扩散层为靠近双极板一侧的基底层，所述气体扩散层表面设有若干相互交错连通的沟槽织构，沟槽织构可使液态水离开阴极，消除电极水淹现象允许适量的水润湿气流，保持膜电极的湿润。

进一步，所述沟槽织构的宽度D＝50-200μm，所述沟槽织构的深度H＝10-30μm，所述沟槽织构的间距S＝200-700μm。

进一步，若干所述沟槽织构的面积占所述气体扩散层表面积的20％-50％。

进一步，所述沟槽织构的横截面为长方形、梯形或圆弧形。

进一步，所述沟槽织构的横截面为长方形或圆弧形，任一所述沟槽织构边缘设有向外倾斜的倒角，用于提升气体扩散层的耐水性能。

进一步，外倾斜的所述倒角θ＝10°-30°。

进一步，若干相互交错连通的沟槽织构中沿流向的所述沟槽织构的横截面面积随流向先渐扩再后渐缩。

进一步，沿流向的所述沟槽织构两端的横截面面积渐变，沿流向的所述沟槽织构中间的横截面面积保持不变；所述沟槽织构中间的横截面面积为两端的最小横截面面积的1.5～3倍。

一种燃料电池气体扩散层结构的加工方法，包括如下步骤：

通过超快激光在气体扩散层表面加工相互交错连通的沟槽织构；

利用超声清洗去除气体扩散层表面残留的杂质。

进一步，所述超快激光的脉宽≤10ps，所述超快激光的加工速度0-2000mm/s，所述超快激光的激光功率为0-100W，所述超快激光的重复频率0-1MHz，所述超快激光的扫描次数1-20次。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的燃料电池气体扩散层结构，通过表面加工沟槽织构，可以使反应后的水聚集在沟槽中，有助于促进生成物水离开阴极以帮助消除阴极水淹现象，同时仅允许适量的水接触膜电极来保持膜的湿润。

2.本发明所述的燃料电池气体扩散层结构，沟槽织构可以增加气体扩散层的比表面积，有助于反应物气流润湿，提高反应的稳定性，还有助于氧化剂气体在通道内流通均匀，增强气体扩散层到膜电极的氧供应。

3.本发明所述的燃料电池气体扩散层结构的加工方法，仅需在气体扩散层基底层表面开设有序地沟槽结构。

4.本发明所述的燃料电池气体扩散层结构，通过沿流向的所述沟槽织构的横截面面积随流向先渐扩再后渐缩，有助于降低进口处生成物水的水量，减少进口处局部“水淹”现象，有助于增加生成物水在气体扩散层表面的分布均匀性，更有利于反应物气流润湿。

附图说明

图1为本发明所述的燃料电池气体扩散层结构示意图。

图2为本发明圆弧形的沟槽织构局部放大图。

图3为本发明长方形的沟槽织构局部放大图。

图4为本发明梯形的沟槽织构局部放大图。

图5为本发明渐变梯形结构的沟槽织构局部放大俯视图。

图6为本发明不同截面形状气体扩散层与现有技术的减阻率比较图。

图中：

1-气体扩散层；2-沟槽织构。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1：

如图1和2所示，本发明所述的燃料电池气体扩散层结构，气体扩散层1为靠近双极板一侧的基底层，所述气体扩散层1表面设有若干相互交错连通的沟槽织构2，若干相互交错连通的沟槽织构2将气体扩散层1表面划分成网格状，用于消除电极水淹现象。若干相互交错连通的沟槽织构2包括与流向平行或接近平行的沟槽织构、与流向垂直的沟槽织构。实施例1中与流向平行的沟槽织构和与流向垂直的沟槽织构的横截面面积相同。气体扩散层1的基底层材料为炭黑纸，具体尺寸为：长20mm，宽20mm，厚0.5mm。沟槽织构2截面形状为圆弧；沟槽织构2加工具体尺寸为：沟槽织构2宽度D＝200μm，沟槽织构2深度H＝10μm，相邻横向沟槽织构2间距S＝700μm。沟槽织构2边缘一周存在的角度θ＝30°。实施例1中若干沟槽织构2纵横交错将气体扩散层1表面划分成方形网格，也可以是菱形或者平行四边形或者多边形。若干沟槽织构2占整个气体扩散层基底层表面积的42.39％。气体扩散层基底层表面具有有序地沟槽结构，该结构使液态水离开阴极，消除水淹现象，部分水可以聚集在沟槽中来保持膜的湿润；该结构可以增加比表面积，增强气体扩散层到膜电极的氧供应，提高反应的稳定性，提升燃料电池的性能。

本实施例1通过激光加工成形的方法在气体扩散层基底层表面加工沟槽织构2，选用激光加工对应的激光参数：激光功率为50W，速度为1000mm/s，重复频率为0.5MHz，扫描次数10次；采用超声清洗15min去除表面杂质。

实施例2：

如图1和3所示，本发明所述的燃料电池气体扩散层结构，该气体扩散层1基底层材料为碳纤维，沟槽织构2截面形状为长方形；具体尺寸为：长30mm，宽30mm，厚1mm。沟槽织构2具体尺寸为：沟槽织构2深度H＝20μm，相邻沟槽织构2间距S＝500μm，与流向平行的沟槽织构的横截面面积大于与流向垂直的沟槽织构的横截面面积，与流向垂直的沟槽织构的宽度D＝100μm，与流向平行的沟槽织构的宽度为1.5D。该沟槽织构2占整个气体扩散层基底层表面积的47.98％。该气体扩散层表面沟槽结构增加表面积，可以更好地消除水淹现象，增强反应物供应。

本实施例2通过激光加工成形的方法在气体扩散层基底层表面加工沟槽结构，选用激光加工对应的激光参数：激光功率为50W，速度为800mm/s，重复频率为1MHz，扫描次数5次；采用超声清洗15min去除表面杂质。

实施例3：

如图1、4和5所示，本发明所述的燃料电池气体扩散层结构，该气体扩散层1基底层材料为碳纤维，沟槽织构2截面形状为梯形；气体扩散层1具体尺寸为：长50mm，宽50mm，厚1.5mm。梯形沟槽织构2具体尺寸为：梯形沟槽织构2宽度D_上底＝50μm、D_下底＝30μm，沟槽织构2深度H＝30μm，相邻沟槽织构2间距S＝250μm。沿流向的所述沟槽织构2的横截面面积随流向先渐扩再后渐缩。沿流向的所述沟槽织构2两端的横截面面积渐变，沿流向的所述沟槽织构2中间的横截面面积保持不变；沿流向的所述沟槽织构2中间的横截面面积为两端最小的横截面面积的1.5～3倍。如图5所示，实施例3中沿流向的所述沟槽织构2进口端为渐扩段，所述渐扩段为沿流向的所述沟槽织构2总长的1/3，沿流向的所述沟槽织构2出口端为渐缩段，所述渐缩段为沿流向的所述沟槽织构2总长的1/3，中间1/3长度的所述沟槽织构2横截面面积保持不变。沿流向的所述沟槽织构2中间的横截面面积为两端的最小横截面面积的2倍。若干沟槽织构2占整个气体扩散层基底层表面积的34.4％。该气体扩散层表面沟槽结构增加表面积，可以更好地消除水淹现象，增强反应物供应。

本实施例3通过激光加工成形的方法在气体扩散层基底层表面加工沟槽织构2，选用激光加工对应的激光参数：激光功率为50W，速度为800mm/s，重复频率为1MHz，扫描次数5次；采用超声清洗15min去除表面杂质。

图6为本发明不同截面形状气体扩散层与现有技术的减阻率比较图。减阻率通过如下公式计算得到：

P_m(Pa)是本发明气体扩散层压降，P_c(Pa)是传统气体扩散层压降。图中x轴为时间步，Y轴为减阻率。图中方块、圆和三角曲线分别代表截面为半圆形、梯形和长方形的气体扩散层减阻率。从中可以看出，三种截面形状的气体扩散层均有较大的减阻率。截面形状为梯形的气体扩散层相比于其他形状的气体扩散层有较大的减阻率，说明有较好的减阻效果。图中方块和倒三角曲线分别代表截面为梯形和渐变梯形的气体扩散层减阻率。从中可以看出，截面形状为渐变梯形的气体扩散层相比于截面为梯形且不渐变的气体扩散层有较大的减阻率，说明有较好的减阻效果。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种燃料电池气体扩散层结构，气体扩散层(1)为靠近双极板一侧的基底层，其特征在于，所述气体扩散层(1)表面设有若干相互交错连通的沟槽织构(2)，用于消除液体反应产物水淹现象；若干相互交错连通的沟槽织构(2)中沿流向的所述沟槽织构(2)的横截面面积随流向先渐扩再后渐缩。

2.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，所述沟槽织构(2)的宽度D＝50-200μm，所述沟槽织构(2)的深度H＝10-30μm，所述沟槽织构(2)的间距S＝200-700μm。

3.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，若干所述沟槽织构(2)的面积占所述气体扩散层(1)表面积的20％-50％。

4.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，所述沟槽织构(2)的横截面为长方形、梯形或圆弧形。

5.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，所述沟槽织构(2)的横截面为长方形或圆弧形，任一所述沟槽织构(2)边缘设有向外倾斜的倒角，用于提升气体扩散层(1)的耐水性能。

6.根据权利要求5所述的燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，外倾斜的所述倒角θ＝10°-30°。

7.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，沿流向的所述沟槽织构(2)两端的横截面面积渐变，沿流向的所述沟槽织构(2)中间的横截面面积保持不变；所述沟槽织构(2)中间的横截面面积为两端的最小横截面面积的1.5～3倍。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的燃料电池气体扩散层结构的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过超快激光在气体扩散层(1)表面加工相互交错连通的沟槽织构(2)；

利用超声清洗去除气体扩散层(1)表面残留的杂质。

9.根据权利要求8所述的燃料电池气体扩散层结构的加工方法，其特征在于，所述超快激光的脉宽≤10ps，所述超快激光的加工速度0-2000mm/s，所述超快激光的激光功率为0-100W，所述超快激光的重复频率0-1MHz，所述超快激光的扫描次数1-20次。