CN112117465B - 一种燃料电池气体扩散层及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池气体扩散层及加工方法，所述气体扩散层靠近双极板一侧表面均布若干微凹坑织构，用于防止反应水堵塞气体扩散层间隙。所述微凹坑织构为球冠，所述微凹坑织构等距分布在气体扩散层表面，相邻所述微凹坑织构之间的中心距S＝150‑1000μm。若干所述微凹坑织构占所述气体扩散层表面的总面积之比为10％‑45％。任一所述微凹坑织构的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。本发明通过改变阴极气体扩散层靠近极板一侧表面的微结构，形成分布均匀、四周存在一定角度的微凹坑，使气体扩散层表面的液态水更易聚集在微凹坑处，进而防止燃料电池发生“水淹”。

Description

一种燃料电池气体扩散层及加工方法

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及加工方法。

背景技术

随着汽车工业技术的不断发展，燃料电池逐渐兴起用于解决内燃机汽车排放量大及纯电动汽车续航里程短的问题。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低，电池启动速度快，噪声低，比功率高等优点，已成为目前世界各国的研究热点。但同时其自身存在的诸多问题也限制了PEMFC的发展，例如成本高、氢气储存及运输问题以及系统运行不稳定等。

气体扩散层(GDL)作为燃料电池系统重要部件之一，起到支撑催化层，收集电流，传导气体和排出反应水的重要作用。研究中的气体扩散层材料主要包括碳纤维纸，碳纤维编织布，碳纤维非纺材料等。选用材料时必须考虑气体扩散层对电极性能的改善，包括选用均匀的多孔结构、透气性能好、电子传导能力强、疏水性能好的材料作为气体扩散层的基体。

PEMFC系统运行的稳定性很大程度上取决于其水管理的能力。燃料电池在运行过程中，阴极催化层与气体扩散层交界处氧气与氢离子发生还原反应生成大量液态水，并通过GDL向双极板方向渗透，最终排出系统外。在此过程中，若反应水在气体扩散层表面堆积，液态水极易堵塞气体扩散层空隙，进而发生“水淹”现象，最终将导致整个燃料电池系统停止工作。因此对燃料电池气体扩散层的耐水性能进行深入研究尤为重要。

改善气体扩散层的耐水性主要从两方面考虑：一是通过结合其他特殊材料形成复合GDL,从改变材料性质的角度改善GDL的耐水性。这种方法需要进行气体扩散层再设计，技术实施较为繁琐；二是在气体扩散层内部增加疏水性材料，加速液态水的排出，改善其耐水性能。这种方法无需对结构进行再设计，但是疏水性材料本身存在一定的使用寿命，不适用于长期运行的系统环境。

目前有很多专利考虑了气体扩散层的耐水性。中国专利公开了一种抑制燃料电池气体扩散层水淹的膜，将负载碳纤维的压电材料纤维与环氧树脂及助剂进行复合，通过涂膜、热压工序制备燃料电池用气体扩散层，增强气体扩散层的疏水性能；中国专利公开了一种促进燃料电池气体扩散层液相水排出的方法，在极板导流槽内填充有机材料，接着在有机材料表面生长空心管状阵列，然后在阵列层间使用碳纤维进行填充，并进行疏水处理，形成疏水空心管状阵列直接连接金属极板导流槽的结构，实现气体扩散层中液相水的及时排出。这些专利通过增加额外的材料或涂层来改善气体扩散层的疏水性能，工序繁琐，工艺难度大，不适合工业推广。

另外，一些专利提出了在GDL内添加疏水材料来改善疏水性。中国专利公开了在气体扩散曾基底添加疏水微球，在制备前将GDL在疏水的PTFE树脂乳液中浸渍。这种方法存在材料使用寿命有限、制备难度大的问题，不适用于长期不间断工作的燃料电池系统。

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及加工方法，通过改变阴极气体扩散层靠近极板一侧表面的微结构，形成分布均匀、四周存在一定角度的微凹坑，使气体扩散层表面的液态水更易聚集在微凹坑处，进而防止燃料电池发生“水淹”。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，所述气体扩散层靠近双极板一侧表面均布若干微凹坑织构，用于防止液体反应产物堵塞气体扩散层间隙。

进一步，所述微凹坑织构为球冠，所述微凹坑织构球径D＝50-300μm，所述微凹坑织构深度H＝3-100μm。

进一步，所述微凹坑织构等距分布在气体扩散层表面，相邻所述微凹坑织构之间的中心距S＝150-1000μm。

进一步，若干所述微凹坑织构占所述气体扩散层表面的总面积之比为10％-45％。

进一步，任一所述微凹坑织构的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＝5°-20°。

一种燃料电池气体扩散层的加工方法，包括如下步骤：

通过激光对气体扩散层靠近双极板一侧表面进行同点间隔多次加工，得到具有均布微凹坑织构的气体扩散层；

在任一微凹坑织构周围选取至少4个作用点进行激光微加工，所述激光与气体扩散层的加工表面倾斜θ角，使得微凹坑织构边缘产生向外倾斜的倒角。

进一步，加工所述微凹坑织构的激光参数为：激光功率0.1W-50W，重复频率为0-100kHz，脉宽0-100ns；所述激光微加工的激光参数为：激光功率0.1W-5W，重复频率为0-500kHz,脉宽0-10ps。

进一步，所述作用点距微凹坑织构边界的最小距离为1-40μm，相邻所述作用点之间的间隔为30-250μm。

进一步，还包括去毛刺处理，利用超声清洗、辉光清洗和溅射清洗依次对激光微加工后的气体扩散层进行去毛刺处理。

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，对燃料电池阴极气体扩散层靠极板一侧表面进行微观结构性改进，形成一种具有高效防“水淹”性能的燃料电池气体扩散层，有利于燃料电池阴极反应水的及时排出，防止反应水堵塞气体扩散层间隙，提升燃料电池工作稳定性。

2.本发明所述的燃料电池气体扩散层，经过微凹坑织构改造的燃料电池气体扩散层，其耐水性及耐久性相对于传统气体扩散层均有所提升，具有较长的使用寿命。

3.本发明所述的燃料电池气体扩散层及加工方法，经过激光微加工四周存在一定角度的微凹坑织构，能够使燃料电池阴极反应水更易在气体扩散层靠双极板一侧表面微凹坑处聚集，提升了燃料电池的反应水耐受性能。

4.本发明所述的燃料电池气体扩散层及加工方法，其加工制造方法易于实现，可以在现有气体扩散层表面直接加工，无需对气体扩散层结构进行再设计，操作简便，稳定性高。

附图说明

图1为本发明所述的燃料电池气体扩散层的示意图。

图2为本发明所述的微凹坑织构截面图。

图3为本发明所述的作用点的示意图。

图4为本发明与传统气体扩散层上液滴流动行为比较图。

图5为本发明与传统气体扩散层的减阻率图。

图中：

1-气体扩散层；2-微凹坑织构；3-作用点；4-激光微加工作用区域。

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。

如图1和图2所示，本发明所述的燃料电池气体扩散层，所述气体扩散层1靠近双极板一侧表面均布若干微凹坑织构2，用于防止反应水堵塞气体扩散层间隙。气体扩散层1的材料为碳纸，经过超快激光加工的微凹坑织构2，再经过激光微加工使得微凹坑织构2边缘产生向外倾斜的倒角，提高微凹坑织构2具有储水能力。经过微凹坑织构2能够使燃料电池反应水更易聚集在微凹坑织构2处，反应气体可从未加工的表面区域通过，从而提升了体扩散层的耐水性能，防止燃料电池发生“水淹”现象，提升燃料电池的工作性能及稳定性。另外，在实际应用的过程中，由于微凹坑织构2的存在，气体扩散层1实际工作面积增加，有利于增加系统内氧化剂浓度，改善了燃料电池反应效率，提升其工作性能。

所述气体扩散层为质子交换膜燃料电池PEMFC的气体扩散层，其材料为碳纤维。所述气体扩散层1具体尺寸参数为：长40-60mm，宽20-50mm，厚0.3-1.1mm；所述微凹坑织构2为球冠，所述微凹坑织构2直径D＝50-300μm，所述微凹坑织构2深度H＝3-100μm。所述微凹坑织构2等距分布在气体扩散层1表面，相邻所述微凹坑织构2之间的中心距S＝150-1000μm。若干所述微凹坑织构2占所述气体扩散层1表面的总面积之比为10％-45％。任一所述微凹坑织构2的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。外倾斜的所述倒角θ＝5°-20°。

本发明所述的燃料电池气体扩散层的加工方法，包括如下步骤：通过激光对气体扩散层1靠近双极板一侧表面进行同点间隔多次加工，得到具有均布微凹坑织构2的气体扩散层；如图3所示，在任一微凹坑织构2周围选取至少4个作用点进行激光微加工，所述激光与气体扩散层1的加工表面倾斜θ角，使得微凹坑织构2边缘产生向外倾斜的倒角，能够提升气体扩散层的耐水性能，防止燃料电池发生“水淹”现象；利用超声清洗、辉光清洗和溅射清洗依次对激光微加工后的气体扩散层1进行去毛刺处理。微凹坑织构2周围凸起部分实质是激光加工微凹坑织构2在周边产生的毛刺，而具有毛刺的周边区域定义为激光微加工作用区域4，利用这些毛刺点在至少均布的四个作用点3进行激光微加工，产生倒角。这样加工方法可以减小后期去除毛刺的工作量。所述加工微凹坑织构2的激光参数为激光功率0.1W-50W，重复频率为0-100kHz，脉宽0-100ns。所述激光微加工所用的激光参数为激光功率0.1W-5W，重复频率为0-500kHz，脉宽0-10ps。

本发明对燃料电池阴极气体扩散层靠双极板侧表面进行微观结构性改进，利用超快激光加工出均匀分布的微凹坑织构2，再利用激光微加工，在微凹坑周围凸起部分选取四个作用点进行再加工，得到四周具有一定角度的微凹坑织构2，能够提升气体扩散层的耐水性能，防止燃料电池发生“水淹”现象，改善燃料电池的性能。

本发明所涉及的经过微观结构改造的燃料电池气体扩散层，其强度及耐久性相对于传统双极板流道均有所提升，具有较长的使用寿命；本发明所涉及的经过微观结构改造的燃料电池气体扩散层，其加工制造方法能进行微结构加工，加工精度高；可以直接在现有产品基础上进行加工，方法简便；易于实现，无需对双极板结构进行再设计，操作简便，稳定性高；

以质子交换膜燃料电池(PEMFC)的气体扩散层1为例，实施一下实例作具体说明：

如图1-3所示，所述气体扩散层1的材料为碳纸，长度为40mm，宽度为20mm，厚度为0.3mm。所述微凹坑织构2为球冠，微凹坑织构2的球径D＝50μm，深度H＝50μm；微凹坑织构2边缘一周存在的角度θ＝5°；激光微加工选取的4个作用点3距微凹坑边界1μm，相邻两点间隔36.7μm；所用去毛刺处理方法为：超声清洗、溅射清洗、辉光清洗各1min。本实施例1中通过超快激光在燃料电池阴极气体扩散层靠双极板一侧表面加工出的微凹坑织构2，在任一微凹坑织构2周围选取至少4个作用点进行激光微加工，所述激光与气体扩散层1的加工表面倾斜θ角，使得微凹坑织构2边缘产生向外倾斜的倒角。所述超快激光具体参数为：脉宽10ps，功率5W，重复频率为1kHz；所述激光微加工的激光参数为：功率0.1W，重复频率为1kHz，脉宽5ps。

图4为本发明与传统气体扩散层上液滴流动行为比较图。第一行和第二行分别为传统气体扩散层和本发明气体扩散层的液滴流动行为。第一列至第四列分别为各个时间步的液滴流动行为。从中可以看出在1.0ms以后，本发明能够极大地加快液滴流动速度，大大降低出现“水淹”的概率。同时，本发明大大减小了液滴接触双极板的面积，降低了双极板的防腐要求。

图5为本发明与传统气体扩散层减阻率图。减阻率通过如下公式计算得到：

式中，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。从中可以看出，本发明气体扩散层减阻率较大，说明其能够大大降低阻力。

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 (8)

1.一种燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层(1)靠近双极板一侧表面均布若干微凹坑织构(2)，用于防止液体反应产物堵塞气体扩散层间隙；所述微凹坑织构(2)为球冠；所述微凹坑织构(2)等距分布在气体扩散层(1)表面；任一所述微凹坑织构(2)的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；若干所述微凹坑织构(2)占所述气体扩散层(1)表面的总面积之比为10％-45％。

2.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述微凹坑织构(2)球径D＝50-300μm，所述微凹坑织构(2)深度H＝3-100μm。

3.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层，其特征在于，相邻所述微凹坑织构(2)之间的中心距S＝150-1000μm。

4.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层，其特征在于，外倾斜的所述倒角θ＝5°-20°。

5.一种根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过激光对气体扩散层(1)靠近双极板一侧表面进行同点间隔多次加工，得到具有均布微凹坑织构(2)的气体扩散层；

在任一微凹坑织构(2)周围选取至少4个作用点进行激光微加工，所述激光与气体扩散层(1)的加工表面倾斜θ角，使得微凹坑织构(2)边缘产生向外倾斜的倒角。

6.根据权利要求5所述的燃料电池气体扩散层的加工方法，其特征在于，加工所述微凹坑织构(2)的激光参数为：激光功率0.1W-50W，重复频率为0-100kHz，脉宽0-100ns；所述激光微加工的激光参数为：激光功率0.1W-5W，重复频率为0-500kHz,脉宽0-10ps。

7.根据权利要求5所述的燃料电池气体扩散层的加工方法，其特征在于，所述作用点距微凹坑织构(2)边界的最小距离为1-40μm，相邻所述作用点之间的间隔为30-250μm。

8.根据权利要求5所述的燃料电池气体扩散层的加工方法，其特征在于，还包括去毛刺处理，利用超声清洗、辉光清洗和溅射清洗依次对激光微加工后的气体扩散层(1)进行去毛刺处理。

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