CN113178591B - 一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其加工工艺，所述气体扩散层靠近双极板一侧表面分布呈梯度的波浪状微凹槽结构，且所述波浪状微凹槽结构位于气体扩散层的入口段与气体扩散层的出口段之间。呈梯度的波浪状微凹槽结构为沿气体流动方向波浪状微凹槽结构的幅值和波长同步梯度递增。本发明按梯度分布的凹槽可以实现不同的水含量对应不同强度的排水能力，保证沿气体流动方向水分布的一致性。

Description

一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其加工工艺

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层及 其加工工艺。

背景技术

化石能源危机，环境污染制约了人类社会的可持续发展。各国都致力于清洁高效能源的 开发。燃料电池是一种能将燃料的化学能直接转化为电能的电化学反应动力装置。具有工作 温度低、启动快的优点，适合作绿色新能源汽车的动力能源。燃料电池能量转换效率高，工 作中不产生污染，可以缓解汽车工业发展带来的环境与能源问题。质子交换膜燃料电池 (PEMFC)是燃料电池的一种，以质子交换膜为电解质。质子交换膜燃料电池具有比功率高、 噪音低、排放产物只有水，工作温度相较于其他燃料电池更低的优点。适合作移动设备的动 力电源。然而现如今的质子交换膜燃料电池商业化推进缓慢，是因为在实际的应用中存在着 一系列问题。

由于质子传导率和水含量直接相关，燃料电池工作时，质子交换膜需要处于润湿的状态。 但当燃料电池在高电流密度下工作时，气体扩散层内易发生过量的水聚集，以至于堵塞气体 扩散通道，即发生水淹。水淹后液态水占据气体通道，覆盖催化剂表面，增加了反应气体的 传输阻力，影响电池整体性能。因此需要平衡电极内的水含量，在充分润湿膜电极的同时避 免发生水淹。

改善气体扩散层的疏水性主要从以下几个方面考虑：1、复合GDL。在气体扩散层上结 合特殊材料，改变气体扩散层的疏水性。2、添加疏水性材料。GDL内添加疏水材料，改善气体扩散层的水管理。

一般来说，燃料电池电堆温度在45-60℃时运行状态最佳，可以达到额定功率。由于燃料 电池反应物为水，在低温条件下特别是在0℃以下，产生的水在扩会在扩散层或催化层内结 冰，阻塞气体通道，覆盖催化剂，阻止反应气体到达催化层表面，阻碍反应进行甚至使化学 反应停止。反应停止累积时间越长，水结成冰的含量会越多，对电堆造成的潜在危害，累积 到一定数值时，将对电堆产生永久性的损坏等问题。除此这外，在内部低温状态下，电堆很 难达到额定功率，燃料电池需要一段时间才能达到最佳工作性能。

现有技术提出一种高效的气体扩散层结构，系统论述了扩散层上的孔隙率，孔结构，孔 分布。在气体扩散层上制备nm级的亲水小孔和um级的憎水大孔，构成双孔布。亲水小孔孔 径范围1-200nm，由亲水的纳米导电微粉构成，憎水大孔孔径范围为0.2-500um，由纳米导电 微分和憎水剂制成，均匀混合后，在造孔剂的作用下可以形成特定的空间分布，憎水剂均匀 分布于大孔的内外表白形成导气孔。此种结构的气体扩散层同时具备高效的排水和导气功能。 扩散层的孔隙率和孔径在宏观上呈各向异性的锥型分布，扩散层的孔隙率从内向外逐渐增大； 平行于气体扩散层的孔径和孔隙率是均匀分布，这种分布有利于提高扩散层的导电和传质效 率。该燃料电池气体扩散层组装的电池在低/常压运行条件下工作较好。传统工艺是对阴极气 体扩散层进行均一化的PTFE处理，但是这样处理阴极气体扩散层的表面疏水性能没有差异， 生成水的流动性也没有差异，而且在PTFE疏水处理前阴极气体扩散层材料的空隙率一般在 0.7往上，在疏水处理后，材料的孔隙率会降低。针对以上不足，中国专利CN 110676468 A 提出一种对质子交换膜燃料电池进行疏水性能的处理的方法。将碳纸置于稀释的聚四氟乙烯 悬浮液内浸泡改善扩散层材料的疏水性能。通过对阴极气体扩散层材料进行处理，人为的使 阴极气体扩散层内部的材料由非统一的疏水性分布，使阴极反应生成水的排出和反应气体达 到反应界面之间的矛盾达到平衡，保障燃料电池的高效稳定运行。使用碳纤维制备基材，表 面设置有拒水层，导致电阻增加，工作时产生IR损耗，导致电池性能降低。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层 及其加工工艺，气体流入一端为气体入口段，入口段凹槽较浅，相邻凹槽的间距较短，沿气 体流动方向，凹槽逐渐加深加宽。出口段水含量多，生成速率快，凹槽的间距长。按梯度分 布的凹槽可以实现不同的水含量对应不同强度的排水能力，保证沿气体流动方向水分布的一 致性。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 处更容发生反应，通过反应过程中释放热量，提升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。微凹槽使用激光加工，无需改变GDL的材料，相比增加材料的复合 GDL，寿命更长，工作状态稳定。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，所述气体扩散层靠近双极板一侧表面分布 呈梯度的波浪状微凹槽结构，且所述波浪状微凹槽结构位于气体扩散层的入口段与气体扩散 层的出口段之间。

进一步，呈梯度的波浪状微凹槽结构为沿气体流动方向波浪状微凹槽结构的幅值和波长 同步梯度递增。

进一步，入口段所述波浪状微凹槽结构波高H＝10-100μm，入口段所述波浪状微凹槽结 构波长为W＝3-15μm；出口段所述波浪状微凹槽结构波高H＝150-300μm，出口段所述波浪状 微凹槽结构波长为W＝100-250μm。

进一步，所述波浪状微凹槽结构与气体扩散层靠近双极板一侧表面设有平滑过渡倒角。

进一步，所述波浪状微凹槽结构占气体扩散层总表面积之比为20％～70％。

一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的加工工艺，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加工，得到具有波浪状微凹槽结构的气体扩 散层；

通过激光微加工使所述波浪状微凹槽结构与气体扩散层靠近双极板一侧表面形成平滑过 渡倒角。

进一步，加工所述波浪状微凹槽结构的激光参数为：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，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.本发明所述的用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，在阴极侧靠近双极板部分加工 梯度分布的波浪状微凹槽结构，一方面可以实现对排水性能的优化，促进阴极催化层产生的 水排除电池；另一方面可以改善流道内水分布的一致性。优化了气体扩散层的水管理，增强 燃料电池排水和散热能力，提升质子交换膜燃料电池的性能。

2.本发明所述的用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，可以辅助燃料电池启动加热系 统，入口处凹槽较浅，含冰量相应较少，更容发生反应，反应过程中释放热量，提升电堆内 部温度，缩短燃料电池达到理想工作状态的时间，同时利用电堆运行产生的热量，降低冷启 动所需要的能耗，使燃料电池电堆在低温启动状况下能决速达到最佳性能。有利于提高整个 燃料电池系统能量输出和提高燃料电池系统冷启动的效率。

3.本发明所述的用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的加工工艺，通过激光加工方法 制备，在气体扩散层表面直接加工，相比复合GDL和添加疏水性材料等方法。操作简便，易 于实现。

4.本发明所述的用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的加工工艺，无需改变气体扩散 层的材料，相比传统的方法，制取的气体扩散层结构均匀，导电性好，工作状态稳定，使用 寿命长。

附图说明

图1为本发明所述的用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层结构图。

图2为图1的剖视图。

图3为本发明所述的波浪状微凹槽结构外形图。

图4为本发明与传统气体扩散层极化曲线的比较图。

图中：

1-入口段；2-出口段；3-波浪状微凹槽结构。

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。

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和图2所示，燃料电池的气体扩散层1，位于双极板和催化层之间。所述气体扩 散层靠近双极板一侧表面分布呈梯度的波浪状微凹槽结构3，且所述波浪状微凹槽结构3位 于气体扩散层的入口段1与气体扩散层的出口段2之间，用来改善电池反应过程中气体扩散 层内水的积聚，防止发生水淹，气体通道被反应产生的水堵塞。气体扩散层的材料使用碳纸 或碳布，使用超快激光加工波浪状微凹槽结构3。如图2所示，呈梯度的波浪状微凹槽结构3 为沿气体流动方向波浪状微凹槽结构3的幅值梯度递增，入口段1波浪状微凹槽结构3深度 较浅，相邻波浪状微凹槽结构3的间距较短，沿气体流动方向，波浪状微凹槽结构3的深度 逐渐加深波长加宽。出口段2水含量多，生成速率快，按梯度分布的波浪状微凹槽结构3可 以实现不同的水含量对应不同强度的排水能力，保证沿气体流动方向水分布的一致性，有利 于反应的一致性。使用激光加工垂直于气体流动方向的波浪状微凹槽结构3边缘部分，形成 均匀过渡倒角，进一步改善波浪状微凹槽结构3储水能力。提高电化学反应效率，改善燃料 电池的工作稳定性，降低冷启动所需要的能耗，改善冷启动效率，使燃料电池系统适低温环 境，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。

所述的气体扩散层是质子交换膜燃料电池的气体扩散层，材料使用碳纸或碳布等多孔介 质材料。气体扩散层的具体尺寸为：长边40-60mm，宽边20-50mm，厚度0.3-1.0mm；入口 段1所述波浪状微凹槽结构3波高H＝10-100μm，入口段1所述波浪状微凹槽结构3波长为W＝3-15μm；出口段2所述波浪状微凹槽结构3波高H＝150-300μm，出口段2所述波浪状微 凹槽结构3波长为W＝100-250μm。所述波浪状微凹槽结构3占气体扩散层总表面积之比为20％～70％。

本发明所述的用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的加工工艺，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加工，得到具有波浪状微凹槽结构3的气体 扩散层；在每一列波浪状微凹槽结构3周围选取至少800个作用点进行间隔多次加工。加工 所述微凹槽结构的激光参数为：激光功率0.1W-50W，重复频率为0-100kHz，脉宽0-100ns；

通过激光微加工使所述波浪状微凹槽结构3与气体扩散层靠近双极板一侧表面形成平滑 过渡倒角。即垂直于气体流动方向的波浪状微凹槽结构3边缘部分通过激光微加工选取3-6 个作用点，加工平滑过渡的倒角。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。所述作用点距微凹槽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。激光微加工后依次利用超声清洗、辉光清洗和溅射清洗气 体扩散层上的毛刺。

实施例，如图1-3所示，使用碳布制备气体扩散层，长度为50，宽度为30，厚度为0.6mm， 所述波浪状微凹槽结构3呈波浪形分布，入口段1的波浪状微凹槽结构3波长W为50μm， 波高H为50μm。图4为本发明与传统气体扩散层极化曲线的比较图。图中x轴为电流密度，Y轴为电压。从图中可以看出，本发明气体扩散层可以优化燃料电池水管理，增强排水和散热能力，提升质子交换膜燃料电池的性能。

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 (6)

1.一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层靠近双极板一侧表面分布呈梯度的波浪状微凹槽结构（3），且所述波浪状微凹槽结构（3）位于气体扩散层的入口段（1）与气体扩散层的出口段（2）之间；

呈梯度的波浪状微凹槽结构（3）为沿气体流动方向波浪状微凹槽结构（3）的幅值和波长同步梯度递增；

入口段（1）所述波浪状微凹槽结构（3）波高H=10-100μm，入口段（1）所述波浪状微凹槽结构（3）波长为W=3-15μm；出口段（2）所述波浪状微凹槽结构（3）波高H=150-300μm，出口段（2）所述波浪状微凹槽结构（3）波长为W=100-250μm。

2.根据权利要求1所述的用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述波浪状微凹槽结构（3）与气体扩散层靠近双极板一侧表面设有平滑过渡倒角。

3.根据权利要求1所述的用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述波浪状微凹槽结构（3）占气体扩散层总表面积之比为20%~70%。

4.一种根据权利要求1-3任一项所述的用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的加工工艺，其特征在于，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加工，得到具有波浪状微凹槽结构（3）的气体扩散层；

通过激光微加工使所述波浪状微凹槽结构（3）与气体扩散层靠近双极板一侧表面形成平滑过渡倒角。

5.根据权利要求4所述的用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的加工工艺，其特征在于，加工所述波浪状微凹槽结构（3）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。

6.根据权利要求4所述的用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的加工工艺，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进行去毛刺处理。

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