CN113178590B - 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分布若干不同深度和间距的椭圆凹槽微结构；靠近气体入口处的椭圆凹槽微结构深度小于靠近气体出口处的椭圆凹槽微结构深度。本发明可以通过改变阴极气体扩散层靠近双极板表面的微结构，凹槽阴极入口方向间隔大于出口方向凹槽间隔，入口方向凹槽深度小于出口方向深度，使气体扩散层表面的液态水更易排出，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

质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是最有前途的能源之一，因为它的高效率和功率密度，以及低排放，噪音和振动。由于这些优势，近几十年来，PEMFC得到了广泛的研究，并取得了重大成就。尽管如此，在仍有一些技术挑战需要解决，其中水管理和冷启动是关键问题。在冬季燃料电池冷启动问题已经成为阻碍燃料电池商业化的关键技术瓶颈之一，是燃料电池汽车冬季运行的最大挑战。燃料电池在反应过程中，不断的有水生成，而水在0℃以下就会结冰，冰具有冷涨热缩的性质。如果大量的冰生成，势必会堵塞膜电极扩散层，使反应不能继续进行，无法发电。更为严重的是，由于冷涨热缩的性能有撕裂膜电极的可能性，使燃料电池堆完全失效。同时为了高效运行，水含量必须保持在高水平，以保证质子交换膜(PEM)的高质子传导率。

气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池的重要组成部分。气体扩散层通常是一种像复写纸一样的多孔材料，主要包括碳纤维纸，碳纤维编织布，碳纤维非纺材料等。GDL最重要的功能之一是将反应剂均匀地分配到反应区域，并提供一条分离水的途径。GDL还为薄膜提供机械支撑，并向其传导热和电。

然而，电池中存在的液态水极易堵塞气体扩散层空隙，并限制催化剂层(CLs)中的反应速率，从而大幅降低电池性能。这种现象被称为“水淹”，是影响电池性能的主要因素。质子交换膜燃料电池中的过量水主要来自阴极催化层与气体扩散层交界处的连续电化学反应，并且在排水过程中必须通过气体扩散层(GDL)和流场。到目前为止，已经对这两个区域的液态水传输进行了广泛的研究。在早期的研究中，只考虑了气相水在流场中的运移。随后，两相流被引入到流场水输运的研究中。

主要通过两个方面改善气体扩散层的疏水性：一是由于GDM层材质的疏水性可以有效缓解GDL层的水淹，所以工业上一般采用向GDL介质层涂抹疏水性材料，如聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)等，提高GDM的疏水性，缓解水淹。但是，如果PTFE的含量过大，会减少GDM层的孔隙和有效催化层面积，增加排水和气体扩散阻力；二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。

为了提高多孔介质层疏水性。现有技术公开了一种去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，减少通入燃料电池的空气流量，降低空气计量比，使燃料电池气体扩散层中的水蒸发或挤压到流道中，以去除燃料电池气体扩散层中的水；现有技术公开了一种抑制燃料电池气体扩散层水淹的膜的方法，以脱油沥青为碳源，二茂铁为催化剂，纤维状压电材料作为基底材料，使用真空等离子体化学气相沉积在压电材料纤维表面生长碳纤维，之后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、热压工序制备为燃料电池用/碳布。这些专利在一定程度上改善气体扩散层的疏水性能，但工序繁琐，工艺难度大、除水效果均有待进一步提升。另外，现有技术提出不使用聚四氟乙烯等憎水剂，一种燃料电池用碳纳米管气体扩散层及其制备和应用,扩散层由碳纳米管在大孔炭基支撑层上原位生长制得,碳纳米管集中生长在大孔炭基支撑层靠近催化层的一侧，由于碳纳米管具有强疏水性,因此,碳纳米管集中生长的气体扩散层内侧具有疏水性。然而随着循环次数增加始终难以有效避免水淹,从而影响燃料电池的工作效率。

目前燃料电池冷启动的解决策略分为两类：一类是在电堆停机时利用气体吹扫来降低燃料电池膜电极的含水量，从而减少固态冰的形成。另一类是通过外接电源电加热或氢气催化燃烧放热等方式对电堆及其内部极板和膜电极进行预热，该类方式不仅系统复杂而且还会产生较大能耗，缩短了燃料电池汽车的续航里程。现有的技术中一种燃料电池的冷启动控制方法、装置及系统，从系统层面上介绍了冷启动过程，整体上分为普通启动和快速启动。现有技术公开了具有冷启动功能的车载燃料电池热管理系统及控制方法，该控制方法不仅考虑了燃料电池系统本身的热管理，还考虑了整车热管理，并将热管理控制器分为三层，动力系统平台热管理单元、燃料电池本体热管理单元、热管理控制器，宏观上描述了热管理方案和冷启动方案，有一定参考价值。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种去除燃料电池气体扩散层中的水和快速冷启动的方法，通过改变阴极气体扩散层靠近双极板表面的微结构，凹槽阴极入口方向间隔大于出口方向凹槽间隔，入口方向凹槽深度小于出口方向深度，使气体扩散层表面的液态水更易排出，进而防止燃料电池发生“水淹”。由于气体入口处凹槽较浅，含水量小，由水结成冰含量也相应较少，冷启动时入口处更容易发生反应，通过反应过程中释放热量，提升了整个电堆的内部温度，缩短燃料电池达到理想工作状态的时间。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”性能和快速冷启动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分布若干不同深度和间距的椭圆凹槽微结构；靠近气体入口处的椭圆凹槽微结构深度小于靠近气体出口处的椭圆凹槽微结构深度。

进一步，气体入口方向椭圆凹槽微结构深度H1＝10-100μm，气体出口方向凹槽微结构深度H2＝20-200μm；气体入口方向椭圆凹槽微结构之间的中心距S1＝100-350μm，气体出口方向椭圆凹槽微结构之间的中心距S2＝100-250μm；气体入口方向椭圆凹槽微结构之间的中心距大于气体出口方向椭圆凹槽微结构之间的中心距。

进一步，所述椭圆凹槽微结构的凹槽宽度L＝50-120μm，若干所述椭圆凹槽微结构占所述气体扩散层表面的总面积之比为15％-60％。

进一步，所述椭圆凹槽微结构的深度沿气体流向按0.5％-1％梯度递增，且气体入口方向椭圆凹槽微结构之间的中心距大于气体出口方向椭圆凹槽微结构之间的中心距。

进一步，气体入口方向椭圆凹槽微结构深度H1＝15-100μm，气体出口方向椭圆凹槽微结构深度H2＝25-200μm。

进一步，所述椭圆凹槽微结构的凹槽长度沿气体流向按0.5％-1％梯度递增，所述椭圆凹槽微结构的凹槽宽度L＝50-120μm，若干所述椭圆凹槽微结构占所述气体扩散层表面的总面积之比为25％-65％。

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，得到具有椭圆凹槽微结构的气体扩散层；

在任一椭圆凹槽微结构周围选取至少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，使得椭圆凹槽微结构边缘产生向外倾斜的倒角。

进一步，加工所述椭圆凹槽微结构的激光参数为：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，所述作用点距椭圆凹槽微结构边界的最小距离为1-40μm，相邻所述作用点之间的间隔为30-200μm。

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近双极板一侧表面进行微观结构性改进，使水在气体扩散层更容易排出，形成一种具有高效防“水淹”性能的燃料电池气体扩散层，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，经过凹槽微结构改造的燃料电池气体扩散层，增强了液态水从电极到气体通道的传输，降低了氧通过多孔介质的质量传输损失。

3.本发明所述的燃料电池气体扩散层，经过凹槽微结构改造的燃料电池气体扩散层，其性能、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。

4.本发明所述的燃料电池气体扩散层，经过凹槽微结构改造的燃料电池气体扩散层，使得气体扩散层更加疏水，相对于传统气体扩散层有更好的减阻性，更有利于水的排出。

5.本发明所述的燃料电池气体扩散层，经过凹槽微结构改造的燃料电池气体扩散层，使得气体扩散层入口处的含冰量相对较少，更容易加快反应放热速率，同时提升了电堆内部温度，缩短燃料电池达到理想工作状态的时间，使燃料电池电堆在低温启动状况下能决速达到最佳性能，相对于传统气体扩散层更有利于燃料电池电堆的快速启动。

6.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凹槽微结构，能够使燃料电池流道形成更加疏水的底部壁面，阴极反应水更易在凹槽处容易聚集，提升了燃料电池的反应水耐受性能。

7.本发明所述的燃料电池气体扩散层及加工方法，无需对气体扩散层结构进行再设计，操作简便，稳定性高，容易实现。

附图说明

图1为本发明所述的燃料电池气体扩散层实施例1的示意图。

图2为本发明所述的椭圆凹槽微结构实施例1前截面图。

图3为图1的剖视图。

图4为实施例1的三维示意图。

图5为本发明所述的燃料电池气体扩散层实施例2的示意图。

图6为图5的剖视图。

图7为实施例1和实施例2与传统气体扩散层极化曲线对比图。

图8为实施例1和实施例2减阻率对比图。

图9为实施例1和实施例2与传统气体扩散层平均水质量分数对比图。

图中：

1-气体扩散层；2-椭圆凹槽微结构；3-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。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1，图2，图3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分布若干不同深度和间距的椭圆凹槽微结构2；靠近气体入口处的椭圆凹槽微结构2深度小于靠近气体出口处的椭圆凹槽微结构2深度，通过改变椭圆凹槽微结构2深度和相邻间距，使气体扩散层水更易去除，流道形成更加疏水底部壁面，用于形成一种具有高效防“水淹”性能的燃料电池气体扩散层。经过椭圆凹槽微结构2使阴极反应水更易在椭圆凹槽微结构2容易聚集，反应气体可从未加工的表面区域通过，从而提升了气体扩散层的耐水性能，从而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，由于凹槽微结构2的存在，气体扩散层1实际工作面积增加，有利于降低了氧通过多孔介质的质量传输损失，改善了燃料电池反应效率，提升其工作性能。同时利用电堆运行产生的热量，降低冷启动所需要的能耗，提高系统适应低温环境能力，以便于燃料电池启动后在短时间内达到最佳性能，延长电堆使用寿命。气体扩散层1的材料为碳纸，经过超快激光加工的椭圆凹槽微结构2，再经过激光微加工使得椭圆凹槽微结构2边缘产生向外倾斜的倒角，提高椭圆凹槽微结构2具有储水能力。

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10-20mm，宽1.4-2.4mm，厚0.3-0.4mm；所述椭圆凹槽微结构2的凹槽宽度L＝50-120μm，气体入口方向椭圆凹槽微结构2深度H1＝10-100μm，气体出口方向椭圆凹槽微结构深度H2＝20-200μm。所述椭圆凹槽微结构2分布在气体扩散层1表面，气体入口方向相邻所述椭圆凹槽微结构2之间的中心距S1＝100-350μm，出口方向相邻所述椭圆凹槽微结构2之间的中心距S2＝100-250μm。若干所述凹槽微结构2占所述气体扩散层1表面的总面积之比为15％-60％。

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，得到具有椭圆凹槽微结构2的气体扩散层；如图2所示，在任何椭圆凹槽微结构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，使得椭圆凹槽微结构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。椭圆凹槽微结构2周围凸起部分实质是激光加工椭圆凹槽微结构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3，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。所述加工椭圆凹槽微结构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椭圆凹槽微结构2，再利用激光微加工，在凹槽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椭圆凹槽微结构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，无需对气体扩散层结构进行再设计，操作简便，稳定性高，容易实现。

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：

实施例1：

如图1-4所示，所述气体扩散层1的材料为碳纸，长度为10mm，宽度为2.4mm，厚度为0.4mm。气体入口方向椭圆凹槽微结构2深度H1＝50μm，气体出口方向椭圆凹槽微结构深度H2＝100μm；凹槽微结构2边缘一周存在的角度θ＝5°；激光微加工选取的4个作用点距凹槽边界1μm，相邻两点间隔30μm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椭圆凹槽微结构2，在任一椭圆凹槽微结构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，使得椭圆凹槽微结构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。

实施例2:

如图5-6所示，所述气体扩散层1的材料为碳纸，长度为10mm，宽度为2.4mm，厚度为0.4mm。所述椭圆凹槽微结构2的深度沿气体流向按0.5％-1％梯度递增，且气体入口方向相邻所述椭圆凹槽微结构2之间的中心距大于气体出口方向相邻所述椭圆凹槽微结构2之间的中心距。气体入口方向椭圆凹槽微结构2深度H1＝15μm-100μm，气体出口方向椭圆凹槽微结构2深度H2＝25μm-200μm；椭圆凹槽微结构2边缘一周存在的角度θ＝5°；激光微加工选取的4个作用点距凹槽边界1μm，相邻两点间隔30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2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椭圆凹槽微结构2，在任一椭圆凹槽微结构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，使得椭圆凹槽微结构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7为本发明实施例1和实施例2与传统气体扩散层的极化曲线对比图，从图可看出，本发明实施例1和实施例2比传统气体扩散层在同样电压下所获得的电流密度更高，由此可看出，本发明所述的燃料电池气体扩散层对于提高燃料电池性能确实是有效的。

图8为本发明实施例1和实施例2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传统GDL、实施例1和实施例2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。实施案例2的气体扩散层相比于其他的气体扩散层有较大的减阻率，说明有较好的减阻效果。

图9为本发明实施例1和实施例2与传统气体扩散层的平均水质量分数对比图，图中方块、圆和三角曲线分别代表截面为传统GDL、实施例1和实施例2的气体扩散层中平均水质量分数。从图可看出，本发明实施例1和实施例2相比传统气体扩散层GDL中平均水质量分数略微下降。，由此可看出，本发明所述的燃料电池气体扩散层对于降低燃料电池平均水质量分数确实是有效的。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

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分布若干不同深度和间距的椭圆凹槽微结构（2）；靠近气体入口处的椭圆凹槽微结构（2）深度小于靠近气体出口处的椭圆凹槽微结构（2）深度；所述椭圆凹槽微结构（2）的深度沿气体流向按0.5%-1%梯度递增，且气体入口方向相邻所述椭圆凹槽微结构（2）之间的中心距大于气体出口方向相邻所述椭圆凹槽微结构（2）之间的中心距；所述椭圆凹槽微结构（2）的凹槽长度沿气体流向按0.5%-1%梯度递增。

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，气体入口方向椭圆凹槽微结构（2）深度H1=10-100μm，气体出口方向凹槽微结构深度H2=20-200μm；气体入口方向相邻所述椭圆凹槽微结构（2）之间的中心距S1=100-350μm，气体出口方向相邻所述椭圆凹槽微结构（2）之间的中心距S2=100-250μm；气体入口方向相邻所述椭圆凹槽微结构（2）之间的中心距大于气体出口方向相邻所述椭圆凹槽微结构（2）之间的中心距。

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，所述椭圆凹槽微结构（2）的凹槽宽度L=50-120μm，若干所述椭圆凹槽微结构（2）占所述气体扩散层（1）表面的总面积之比为15%-60%。

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，气体入口方向椭圆凹槽微结构（2）深度H1=15-100μm，气体出口方向椭圆凹槽微结构（2）深度H2=25-200μm。

5.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述椭圆凹槽微结构（2）的凹槽宽度L=50-120μm，若干所述椭圆凹槽微结构（2）占所述气体扩散层（1）表面的总面积之比为25%-65%。

6.一种根据权利要求1-5任一项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，得到具有椭圆凹槽微结构（2）的气体扩散层；

在任一椭圆凹槽微结构（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，使得椭圆凹槽微结构（2）边缘产生向外倾斜的倒角。

7.根据权利要求6所述的燃料电池气体扩散层的加工方法，其特征在于，加工所述椭圆凹槽微结构（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。

8.根据权利要求6所述的燃料电池气体扩散层的加工方法，其特征在于，所述作用点距椭圆凹槽微结构（2）边界的最小距离为1-40μm，相邻所述作用点之间的间隔为30-200μm。

9.根据权利要求6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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