CN113675420B - 一种气体导流扩散流场板及其制备方法、燃料电池 - Google Patents

一种气体导流扩散流场板及其制备方法、燃料电池 Download PDF

Info

Publication number
CN113675420B
CN113675420B CN202110949981.4A CN202110949981A CN113675420B CN 113675420 B CN113675420 B CN 113675420B CN 202110949981 A CN202110949981 A CN 202110949981A CN 113675420 B CN113675420 B CN 113675420B
Authority
CN
China
Prior art keywords
flow field
field plate
gas
diffusion flow
microporous layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110949981.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113675420A (zh
Inventor
陶有堃
张颖慧
郭志圆
刘徐昊
焦震钧
仲政
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology filed Critical Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority to CN202110949981.4A priority Critical patent/CN113675420B/zh
Publication of CN113675420A publication Critical patent/CN113675420A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113675420B publication Critical patent/CN113675420B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明提供了一种气体导流扩散流场板及其制备方法、燃料电池。该气体导流扩散流场板包括多孔金属介质以及位于所述多孔金属介质一侧面的微孔层，多孔金属介质在厚度方向的孔径在10μm～1mm之间梯度变化，微孔层靠近多孔金属介质的较小孔径一侧。本发明的气体导流扩散流场板，可同时具备气体分布导流、气体扩散、电流收集、疏排水、保护膜电极免遭损伤的作用，以达到提高反应物和产物的物质传递、减小部件体电阻欧姆损失、降低部件之间的接触电阻欧姆损失、降低电池厚度、简化电池结构、降低电池成本的作用。

Description

一种气体导流扩散流场板及其制备方法、燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种气体导流扩散流场板及其制备方法、燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池具有清洁高效、工作温度低、启动速度快等优点，被认为是未来汽车和便携式电子设备的最佳电源之一。然而，质子交换膜燃料电池的大规模商业化仍然受到成本高、膜电极组件可靠性和耐久性不足的限制。单电池中的组件包括CCM膜电极(包括中间电解质膜+阴/阳极催化剂层)、以及阴/阳极两侧的气体扩散层(GDL，包含碳纸基底+微孔层MPL)和双极板(及其表面的流场)。在这些组件中，双极板流场和气体扩散层(GDL)对反应物和产物的质量传递起着至关重要的作用，其结构很大程度决定了反应物分布的均匀性，以及产物水能否及时排出。为了提高电池性能和稳定性，质子交换膜燃料电池中阴极侧组件的开发一直是燃料电池技术研发关注的重点。
气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池的常规结构中用于反应物/产物物质传输的一个关键部件之一，由碳纸基底和表面微孔层(MPL)组成。GDL将反应物从双极板流场通过扩散传输到催化剂层，并排出催化剂层产生的水。此外，GDL还起到传输电子、为CCM膜电极提供机械支持的作用。尽管GDL具有较高孔隙率和导电性，但它仍会增加物质扩散传输阻力以及欧姆电阻(本身的体电阻、以及与相邻的流场脊部和催化剂层之间界面接触的电阻)；目前的单片GDL厚度约为200μm，远大于CCM膜电极本身(约45μm)，亦即GDL在电池中占有很大的体积，从而制约体积功率密度的提高。此外，GDL的碳纸基底对夹持压力比较敏感，容易在高压力下被损坏、堵塞在气体流动通道中；夹持后的渗透率和孔隙度会降低，使得反应物和产物在通道中传递缓慢，导致电池性能下降。
质子交换膜燃料电池的常规双极板流场，是在石墨或者金属极板上采用雕刻、压制、刻蚀等机械或化学方法加工产生槽道，用来导流分布气体和排出产物水。这种流场相对成本较高、质量较重，而且槽道/脊部的结构会在脊部下方气体扩散层引入气体分布不均、易产生水淹等问题。近年来，多孔介质流场越来越受到关注。多孔介质流场是直接应用多孔导电材料作为导流气体反应物和产物的一种流场结构，例如金属泡沫、石墨烯泡沫和碳毡等，尤其多孔金属具有理想的机械强度和延展性，以及优良的导电性、导热性。相比在石墨板或金属板上加工槽道的传统流场方式，其具有质量超轻、导电性和导热性高、容易加工、成本低等优势。并且，通过采用多孔结构取代传统的通道/脊流场结构，多孔介质可以使反应物气体分布的更加均匀，大大提高电池的性能，因此具有替代常规石墨板/金属板槽道式流场的很大潜力。
目前已有公开采用金属多孔介质流场的质子膜燃料电池，但其性能不高，且均需依赖使用碳纸气体扩散层(GDL)这一必要部件来提供气体扩散、集流导电、疏水排水等功能，同时隔开表面凹凸粗糙的多孔介质，以免刺穿或损伤CCM膜电极。
基于目前的燃料电池所用的金属多孔介质流场存在的缺陷有必要对此进行改进。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种气体导流扩散流场板及其制备方法和燃料电池，以解决或部分解决现有技术中存在的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种气体导流扩散流场板，包括多孔金属介质以及位于所述多孔金属介质一侧面的微孔层，所述多孔金属介质在厚度方向的孔径在10μm～1mm之间梯度变化，所述微孔层靠近所述多孔金属介质的较小孔径一侧。
优选的是，所述的气体导流扩散流场板，所述多孔金属介质靠近所述微孔层一侧的孔径为10-100μm，所述多孔金属介质远离所述微孔层一侧的孔径为100μm～1mm。
优选的是，所述的气体导流扩散流场板，所述多孔金属介质远离所述微孔层一侧的孔隙率为70％～99％，所述多孔金属介质靠近所述微孔层一侧的孔隙率为35％～95％。
优选的是，所述的气体导流扩散流场板，所述多孔金属介质对应孔径为100μm～1mm的厚度为多孔金属介质厚度的50～90％。
优选的是，所述的气体导流扩散流场板，所述多孔金属介质材料包括镍、铜、不锈钢、铬、钛、镍合金、铜合金、铬合金、钛合金中的一种；所述微孔层的材料为碳材料；所述多孔金属介质的厚度为0.2～3.5mm，所述微孔层的厚度为10～100μm。
优选的是，所述的气体导流扩散流场板，所述碳材料包括碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨、石墨烯中的至少一种。
优选的是，所述的气体导流扩散流场板，所述微孔层包括第一微孔层和第二微孔层，所述第一微孔层靠近所述多孔金属介质的较小孔径一侧，所述第一微孔层所用的碳材料的粒径或直径为0.3～30μm，所述第二微孔层所用的碳材料的粒径或直径为10～100nm。
第二方面，本发明还提供了一种气体导流扩散流场板的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供多孔金属介质；
S2、在多孔金属介质较小孔径一侧制备微孔层，微孔层的制备方法为：
向碳材料中加入醇以及聚四氟乙烯浓缩分散液，混合后得到浆料，再将浆料涂覆至多孔金属介质较小孔径一侧，于320～380℃下加热20～40min。
优选的是，所述的气体导流扩散流场板的制备方法，若所述微孔层包括第一微孔层和第二微孔层，所述微孔层的制备方法包括以下步骤：
向碳材料中加入醇以及聚四氟乙烯浓缩分散液，混合后得到第一浆料，再将第一浆料涂覆至多孔金属介质较小孔径一侧，于320～380℃下加热20～40min得到第一微孔层；
向碳材料中加入醇以及聚四氟乙烯浓缩分散液，混合后得到第二浆料，再将第二浆料涂覆至第一微孔层表面，于320～380℃下加热20～40min得到第二微孔层。
第三方面，本发明还提供了一种燃料电池，包括：
电解质膜；
阴极催化层，其与所述电解质膜一侧面相贴合；
阳极催化层，其与所述电解质膜另一侧面相贴合；
阳极气体导流扩散流场板，其与所述阳极催化层一侧面相贴合；
阴极气体导流扩散流场板，其与所述阴极催化层一侧面相贴合；
第一双极板，其与所述阳极气体导流扩散流场板一侧面相贴合；
第二双极板，其与所述阴极气体导流扩散流场板一侧面相贴合；
其中，所述阳极气体导流扩散流场板和阴极气体导流扩散流场板均采用所述的气体导流扩散流场板。
本发明的一种气体导流扩散流场板及其制备方法、燃料电池相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的气体导流扩散流场板，包括多孔金属介质和微孔层，多孔金属介质在厚度方向的孔径在10μm～1mm之间梯度变化，微孔层靠近多孔金属介质的较小孔径一侧，多孔金属介质的较大孔径部分，主要发挥将气体在电池面内不同区域进行导流分布的作用；多孔金属介质的较小孔径部分、以及其外侧表面的微孔层部分，则主要发挥气体扩散、电导接触、疏排水的功用。本申请的气体导流扩散流场板，可同时具备气体分布导流、气体扩散、电流收集、疏排水、保护膜电极免遭损伤的作用，以达到提高反应物和产物的物质传递、减小部件体电阻欧姆损失、降低部件之间的接触电阻欧姆损失、降低电池厚度、简化电池结构、降低电池成本的作用；
(2)本发明的燃料电池，由本发明的气体导流扩散流场板组成，该电池不必使用成本较高的气体扩散层GDL部件，减少了电池组件从而降低了体电阻、消减界面从而降低了接触电阻，同时由于从双极板到催化剂层的反应物路径减少从而降低了物质传输电阻，此外，还降低了电池重量和厚度，有利于提高单位重量及单位体积的电池堆功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的气体导流扩散流场板的结构示意图；
图2为本发明的燃料电池的结构示意图；
图3为常规技术中燃料电池的结构示意图；
图4为本发明实施例1中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池在电池温度70℃、相对湿度100％、不同的空气计量比下的极化曲线图；
图5为本发明实施例2中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池在电池温度70℃、相对湿度100％、不同的空气计量比下的极化曲线图；
图6为本发明实施例3中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池在电池温度70℃、相对湿度100％、不同的空气计量比下的极化曲线图；
图7为对照组的燃料电池在电池温度70℃、相对湿度100％、不同的空气计量比下的极化曲线图；
图8为本发明实施例1～3中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池以及对照组的燃料电池在电池温度70℃、相对湿度100％、空气计量比SR为2.5下的极化曲线图；
图9为本发明实施例1～3中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池以及对照组的燃料电池在电池温度70℃、相对湿度100％、空气计量比SR为1.5下的极化曲线图；
图10为本发明实施例1～3中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池以及对照组的燃料电池在相对湿度为40％、空气计量比SR为2下的极化曲线图；
图11为本发明实施例1～3中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池以及对照组的燃料电池在相对湿度为40％、空气计量比SR为1.5下的极化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种气体导流扩散流场板1，如图1所示，包括多孔金属介质10以及位于多孔金属介质10一侧面的微孔层11，多孔金属介质10在厚度方向的孔径在10μm～1mm之间梯度变化，微孔层11靠近多孔金属介质10的较小孔径一侧。
需要说明的是，本申请实施例中，多孔金属介质10的孔径在10μm～1mm之间呈梯度变化，具体的，可呈平滑式梯度或阶梯式梯度变化，例如多孔金属介质10的孔径可由1000μm、990μm、980μm、970μm、960μm……依次递减至10μm，也可以按以下阶梯式变化，比如在一定厚度内孔径为1000μm、在另一厚度内孔径为500μm、在另一厚度内孔径为100μm等，孔径呈阶梯式变化。多孔金属介质10的较大孔径部分，主要发挥将气体在电池面内不同区域进行导流分布的作用；多孔金属介质10的较小孔径部分、以及其外侧表面的微孔层部分，则主要发挥气体扩散、电导接触、疏排水的功用。本申请的气体导流扩散流场板采用梯度变化孔径的多孔金属介质，以及靠近多孔金属介质的较小孔径一侧的微孔层11，可同时具备气体分布导流、气体扩散、电流收集、疏排水、保护膜电极免遭损伤的作用，以达到提高反应物和产物的物质传递、减小部件体电阻欧姆损失、降低部件之间的接触电阻欧姆损失、降低电池厚度、简化电池结构、降低电池成本的综合功效。利用该气体导流扩散流场板组成的燃料电池，不必使用成本较高的GDL部件，减少了电池组件从而降低了体电阻、消减界面从而降低了接触电阻，同时由于从双极板到催化剂层的反应物路径减少从而降低了物质传输电阻。此外，还降低了电池重量和厚度，有利于提高单位重量及单位体积的电池堆功率密度。
在一些实施例中，多孔金属介质10靠近微孔层11一侧的孔径为10μm-100μm，多孔金属介质10远离微孔层11一侧的孔径为100μm～1mm。具体的，在本申请实施例中，多孔金属介质10在厚度方向上包括大孔部分和小孔部分，其中大孔部分的孔径为10μm-100μm，小孔部分的孔径为100μm～1mm。
在一些实施例中，多孔金属介质10远离微孔层11一侧的孔隙率为70％～99％，多孔金属介质10靠近微孔层11一侧的孔隙率为35％～95％。具体的，在本申请实施例中，多孔金属介质10在厚度方向上包括大孔部分和小孔部分，大孔部分的孔隙率为70％～99％，小孔部分的孔隙率为35％～95％。
在一些实施例中，多孔金属介质10对应孔径为100μm～1mm的厚度为多孔金属介质10厚度的50～90％。在本申请实施例中，多孔金属介质10大孔部分所对应的厚度为整个多孔金属介质10厚度的50～90％。
在一些实施例中，多孔金属介质材料包括镍、铜、不锈钢、铬、钛、镍合金、铜合金、铬合金、钛合金中的一种；微孔层的材料为碳材料；多孔金属介质的厚度为0.2～3.5mm，微孔层的厚度为10～100um。具体的，在本申请实施例中，多孔金属介质材料为镍、铜等金属材料及其合金材料等，镍合金具体可采用镍铬钼铜，铜合金可采用黄铜﹑青铜﹑白铜，铬合金可采用铬钽合金，钛合金可采用Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等，多孔镍材料具体可采用泡沫镍。实际中，所用的多孔金属介质材料，可预先表面耐蚀处理(通过电镀、真空镀膜、反应氮化等方式预先表面处理)，提高其在燃料电池工作环境中的耐腐蚀性能及导电性能。
在一些实施例中，碳材料包括碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨、石墨烯中的至少一种。
在一些实施例中，请再参考图1所示，微孔层11包括第一微孔层12和第二微孔层13，第一微孔层12靠近多孔金属介质1的较小孔径一侧，第一微孔层12所用的碳材料的粒径或直径为0.3～30μm，第二微孔层13所用的碳材料的粒径或直径为10～100nm。在本申请实施例中，微孔层11包括组成材料粒径或直径大小不同的第一微孔层12和第二微孔层13，从第一微孔层12到第二微孔层13粒径或直径逐渐降低，从而利于气体扩散、液态水排出、并且避免细小颗粒碳材料直接填充进入多孔金属介质孔道而导致阻塞。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种气体导流扩散流场板的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供多孔金属介质；
S2、在多孔金属介质较小孔径一侧制备微孔层，微孔层的制备方法为：
向碳材料中加入醇以及聚四氟乙烯浓缩分散液，混合后得到浆料，再将浆料涂覆至多孔金属介质较小孔径一侧，于320～380℃下加热20～40min。
需要说明的是，本申请的多孔金属介质的孔径在10μm～1mm之间呈梯度变化，其可通过泡沫塑料模板电沉积方法、金属粉末烧结方法、以及采用不同孔径多孔金属介质经叠层热压方法制备。具体的，多孔金属介质可通过泡沫塑料模板电沉积方法制备，采用聚胺脂海绵作为结构模板，在含电解液(比如硫酸镍)中进行表面电镀，然后经在氮/氢还原保护气氛中700-1000℃高温处理使模板有机物分解并使金属烧结形成网络，即得到泡沫金属多孔介质；金属粉末烧结方法具体为：将镍等金属粉末和聚乙烯醇配置成具有一定粘度的浆料，利用海绵作为临时支撑体，使其充分吸收含有金属粉末的浆料，干燥后热处理使有机支撑体分解，高温烧结得到泡沫金属多孔介质；采用多层不同孔径泡沫塑料模板按照孔径大小梯度进行预先粘合层叠，得到梯度化泡沫塑料模板，然后以此模板采用电沉积或粉末支撑烧结方法，可得到梯度化孔径的多孔金属介质。采用不同孔径多孔金属介质经叠层热压方法制备梯度化孔径的多孔金属介质具体为：采用至少两种各含有不同孔径的泡沫金属基材，按照孔径从大到小梯级进行层叠，并在适当加压及高温还原气氛条件下烧结一体处理，得到梯度化孔径的多孔金属介质。本申请实施例中，所用的醇包括乙醇、甲醇、异丙醇、丙三醇等；聚四氟乙烯浓缩分散液的质量浓度为10～60％；涂覆的方法为喷涂、印刷涂敷或转印等方法，聚四氟乙烯具有良好的疏水性，采用碳材料和聚四氟乙烯浓缩分散液制备得到的微孔层在电池装配时与催化剂层形成良好连接。
具体的，制备得到的微孔层的总载量为0.5-5mg/cm2，微孔层中聚四氟乙烯的质量含量为5～50％。
在一些实施例中，若微孔层11包括第一微孔层12和第二微孔层13，微孔层的制备方法包括以下步骤：
将聚四氟乙烯加入至醇溶剂中，再加入粒径为0.3～30μm碳材料，混合后得到第一分散液，再将第一分散液涂覆至多孔金属介质较小孔径一侧，于320～380℃下加热20～40min得到第一微孔层；
将聚四氟乙烯加入至醇溶剂中，再加入粒径为10～100nm碳材料，混合后得到第二分散液，再将第二分散液涂覆至第一微孔层表面，于320～380℃下加热20～40min得到第二微孔层。
同理，在上述方法中，所用的醇包括乙醇、甲醇、异丙醇、丙三醇等；聚四氟乙烯浓缩分散液的质量浓度为10～60％；涂覆的方法为喷涂、印刷涂敷或转印等方法，第一微孔层和第二微孔层中除了所用碳材料的直径大小不同，其余工艺均相同。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种燃料电池，如图2所示，包括：
电解质膜20；
阴极催化层21，其与电解质膜20一侧面相贴合；
阳极催化层22，其与电解质膜20另一侧面相贴合；
阳极气体导流扩散流场板23，其与阳极催化层22一侧面相贴合；
阴极气体导流扩散流场板24，其与阴极催化层21一侧面相贴合；
第一双极板25，其与阳极气体导流扩散流场板23一侧面相贴合；
第二双极板26，其与阴极气体导流扩散流场板24一侧面相贴合；
其中，阳极气体导流扩散流场板23和阴极气体导流扩散流场24板均采用上述制备得到的的气体导流扩散流场板。
而传统的燃料电池的结构如图3所示，其包括：依次叠合的双极板30、阳极气体扩散层32、阳极催化层22、电解质膜20、阴极催化层21、阴极气体扩散层33，其中，双极板30上设有槽道31。
需要说明的是，本申请的燃料电池，阴极气体导流扩散流场板24的微孔层一侧与阴极催化层21一侧面相贴合，阳极气体导流扩散流场板23的微孔层一侧与阳极催化层22一侧面相贴合；若阴极气体导流扩散流场板24的微孔层包括碳材料粒径或直径大小不同的第一微孔层和第二微孔层，则粒径或直径更小的第二微孔层与阴极催化层21一侧面相贴合；同理，若阳极气体导流扩散流场板23的微孔层包括碳材料粒径或直径大小不同的第一微孔层和第二微孔层，则粒径或直径更小的第二微孔层与阳极催化层22一侧面相贴合。本申请实施例中以及传统燃料电池中电解质膜20可采用质子交换膜，例如，Nafion膜，阴极催化层21和阳极催化层22均由Pt/C电催化剂和粘结剂(Nafion树脂)组成，其中按质量比Pt/C:Nafion＝3:1。第一双极板25和第二双极板26相比传统双极板不含槽道。
本发明的燃料电池，消除了传统燃料电池结构中的棱脊-槽道流场以及气体扩散层(GDL)组合，而采用不同梯度孔径的金属多孔介质及其一侧施加的微孔层(MPL)，对传统石墨板或金属板上的棱脊-槽道式流场、以及与其接触的气体扩散层(GDL)形成整体替代。具有气体分布更均匀、气体利用率高、功率输出性能好的优点，尤其在气体低计量比的操作条件下，电池性能相比传统结构燃料电池性能的提升更为明显。
以下进一步以具体实施例说明本申请的气体导流扩散流场板及其制备方法和燃料电池的性能。
实施例1
本申请实施例提供了一种气体导流扩散流场板的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一面积为长度为50mm、宽度为50mm、厚度为1.0mm的泡沫镍，该泡沫镍在厚度方向的一侧孔径为400μm、孔隙率为97％，泡沫镍在厚度方向的另一侧孔径为40μm、孔隙率为85％，泡沫镍对应孔径为400μm的厚度为0.8mm，泡沫镍对应孔径为40μm的厚度为0.2mm；
S2、向75mg、平均粒径为60nm碳黑中加入1ml异丙醇以及21μL质量浓度为60％的聚四氟乙烯浓缩分散液，超声处理2h后得到浆料，再将浆料涂覆至泡沫镍较小孔径一侧，于360℃下、氮气氛围中加热30min，即在泡沫镍一侧形成微孔层；
其中，S1中所用的泡沫镍的制备方法采用上文中孔径为400μm、孔隙率为97％的泡沫镍以及孔径为40μm、孔隙率为85％泡沫镍经过叠层热压方法制备得到。
实施例2
本申请实施例提供了一种气体导流扩散流场板的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一面积为长度为50mm、宽度为50mm、厚度为1.0mm的泡沫镍，该泡沫镍在厚度方向的一侧孔径为400μm、孔隙率为97％，泡沫镍在厚度方向的另一侧孔径为40μm、孔隙率为85％，泡沫镍对应孔径为400μm的厚度为0.8mm，泡沫镍对应孔径为40μm的厚度为0.2mm；
S2、向25mg、平均粒径为10μm的石墨中加入0.33ml异丙醇以及7μL质量浓度为60％的聚四氟乙烯浓缩分散液，超声处理2h后得到第一浆料，再将浆料涂覆至泡沫镍较小孔径一侧，于360℃下、氮气氛围中加热30min，即在泡沫镍一侧形成第一微孔层；
S3、将10mg、平均内径12nm、平均外径40nm、平均长度30μm的碳纳米管与40mg、平均粒径65nm的炭黑相混合，并加入0.67ml异丙醇以及14μL质量浓度为60％的聚四氟乙烯浓缩分散液，超声处理2h后得到浆料，再将浆料涂覆至第一微孔层表面，于360℃下、氮气氛围中加热30min，即在泡沫镍一侧形成第二微孔层；
其中，S1中所用的泡沫镍的制备方法采用上文中孔径为400μm、孔隙率为97％的泡沫镍以及孔径为40μm、孔隙率为85％泡沫镍经过叠层热压方法制备得到。
实施例3
本申请实施例提供了一种气体导流扩散流场板的制备方法，同实施例1，不同在于，将步骤S2中75mg碳黑替换为75mg、平均粒径为3μm的石墨。
性能测试
将上述实施例1～3中制备得到的气体导流扩散流场板，按照图2组装成燃料电池，其中，所用的电解质膜为Nafion膜，阴极催化层和阳极催化层均由Pt/C电催化剂和粘结剂(Nafion树脂)组成，阳极催化层Pt载量为0.1mg/cm2，阴极催化层Pt载量为0.4mg/cm2，第一双极板和第二双极板均采用石墨板。
同时，以商用碳纸气体扩散层GDL直接与泡沫金属多孔介质贴合组装成的燃料电池作为对照组。具体的，泡沫金属多孔介质采用厚度为1.0mm、孔隙率为97％、孔径为400μm的均质泡沫镍，电解质膜采用Nafion膜，阴极催化层和阳极催化层均由Pt/C电催化剂和粘结剂(Nafion树脂)组成，阳极催化层Pt载量为0.1mg/cm2，阴极催化层Pt载量为0.4mg/cm2；其中，靠近阳极催化层一侧所用的双极板为带有槽道式常规平行流场的石墨双极板，阳极催化层与石墨双极板之间装配有碳纸气体扩散层GDL，碳纸气体扩散层GDL面向阳极催化剂层一侧的表面含有微孔层(MPL)；阴极一侧，采用上述的泡沫金属多孔介质，将其放置于深度为0.5-1.0mm的石墨板凹槽中，使泡沫金属多孔介质一侧贴合接触石墨板，另一侧阴极催化层表面贴合，即可组装得到燃料电池。碳纸气体扩散层GDL的型号为GDL240。
测试上述由实施例1～3中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池以及对照组的燃料电池在不同的相对湿度、气体流速的性能。
测试方法：在相对湿度为RH为100％，电池温度为70℃，使用电子负载装置在恒流模式下测量不同燃料电池的极化曲线，电流的放电顺序0A，2.5A，5A，10A，15A，……50A，每一个电流测试2min，其中，空气计量比SR分别为1.5、2、2.5、3，氢气计量比SR为1.5(参考电流为12.5A，当电流<为12.5A,按照12.5A计算气速)，测得实施例1～3中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池以及对照组的燃料电池结果分别如图4～7所示。
图4中分别代表实施例1中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池在不同的空气计量比下的极化曲线图，其中，SR1.5、SR2、SR2.5、SR3分别表示空气计量比分别为1.5、2、2.5、3。
图5中分别代表实施例2中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池在不同的空气计量比下的极化曲线图，其中，SR1.5、SR2、SR2.5、SR3分别表示空气计量比分别为1.5、2、2.5、3。
图6中分别代表实施例3中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池在不同的空气计量比下的极化曲线图，其中，SR1.5、SR2、SR2.5、SR3分别表示空气计量比分别为1.5、2、2.5、3。
图7中分别代表对照组中的燃料电池在不同的空气计量比下的极化曲线图，其中，SR1.5、SR2、SR2.5、SR3分别表示空气计量比分别为1.5、2、2.5、3。
从图4～7中，可以看出，在相对湿度为100％的条件下，实施例1～3中的气体导流扩散流场板组成的燃料电池在SR＝2.5时性能与SR＝3几乎相同，其中，实施例2中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池受气体流速计量比的影响最小，说明具有气体导流扩散流场板组成的燃料电池在较小气速下仍有较好的气体传输；而图7中对照组的具有碳纸气体扩散层GDL的燃料电池在测试气速范围内性能对气速变化较为敏感，气速计量比的变化对性能的影响较大。
图8～9分别显示了实施例1～3中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池以及对照组的燃料电池在空气计量比SR为2.5和1.5下的极化曲线图(图8对应SR为2.5)。
其中，图8～9中Ni-CB为实施例1中的气体导流扩散流场板组成的燃料电池、Ni-CNT为实施例2中的气体导流扩散流场板组成的燃料电池、Ni-GR为实施例3中的气体导流扩散流场板组成的燃料电池、Ni-GDL为对照组的燃料电池。
由图8～9可知，本申请实施例1～3中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池在所有气速计量比的良好性能，尤其是在低气速计量比SR1.5条件下电池性能优越性更为明显，说明新流场结构有助于气体传质，在低气速计量比条件下也能维持较好的性能。而实施例2中的制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池在所有的测试气速性能都最忧，说明在碳黑中添加碳纳米管有助于提高气体的传输和导电接触。
在相对湿度RH为100％、电池温度为70℃，采用电化学工作站利用交流阻抗EIS测试分析方法测试实施例1～3中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池以及对照组的燃料电池在OCV条件下的电阻，具体的，在5A放电电流条件下测试EIS，频率范围为100kHz-0.1Hz，其中，空气计量比SR分别为2和3，氢气计量比SR为1.5(参考电流为12.5A，当电流<为12.5A,按照12.5A计算气速)。测试结果如下表1所示。
表1-不同实施例的组成的燃料电池的内阻
流场结构 内阻mΩ
实施例1(空气计量比SR＝2) 2.14mΩ
实施例1(空气计量比SR＝3) 2.23mΩ
实施例2(空气计量比SR＝2) 1.98mΩ
实施例2(空气计量比SR＝3) 2.16mΩ
实施例3(空气计量比SR＝2) 2.71mΩ
实施例3(空气计量比SR＝3) 2.67mΩ
对照组(空气计量比SR＝2) 4.05mΩ
对照组(空气计量比SR＝3) 4.13mΩ
表1中EIS的测试结果表明，对照组中的燃料电池电池内阻最大，而实施例2中的制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池电阻最小。
按照上述测试方法，在相对湿度为40％，电池温度为70℃下，测试实施例1～3中制备得到的气体导流扩散流场板组成的燃料电池以及对照组的燃料电池在空气计量比SR为2和1.5下的极化曲线。结果如图10～11所示(图10对应SR为2)。
其中，图10～11中Ni-CB为实施例1中的气体导流扩散流场板组成的燃料电池、Ni-CNT为实施例2中的气体导流扩散流场板组成的燃料电池、Ni-GR为实施例3中的气体导流扩散流场板组成的燃料电池、Ni-GDL为对照组的燃料电池。
图10～11中可知，在湿度40％的条件下，由于电解质膜缺水，电池电阻变大，而本申请实施例1～3中的的气体导流扩散流场板组成的燃料电池的性能受气体速度的影响较小，在计量比SR≥2的条件下，气体传质并非影响电池性能的主要因素，因此电池的性能差别不大；而本申请实施例1～3中的的气体导流扩散流场板组成的燃料电池和对照组的燃料电池在SR＝1.5时性能较差。图11表明对照组的燃料电池电池仅在低气速SR＝1.5条件下与实施例1～3中的气体导流扩散流场板组成的燃料电池性能差别较大，说明实施例1～3中的气体导流扩散流场板组成的燃料电池在较小气速下仍有较好的气体传质，在低气速下也能维持较好的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种气体导流扩散流场板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一面积为长度为50mm、宽度为50mm、厚度为1.0mm的泡沫镍，该泡沫镍在厚度方向的一侧孔径为400μm、孔隙率为97％，泡沫镍在厚度方向的另一侧孔径为40μm、孔隙率为85％，泡沫镍对应孔径为400μm的厚度为0.8mm，泡沫镍对应孔径为40μm的厚度为0.2mm；
向25mg、平均粒径为10μm的石墨中加入0.33ml异丙醇以及7μL质量浓度为60％的聚四氟乙烯浓缩分散液，超声处理2h后得到第一浆料，再将浆料涂覆至泡沫镍较小孔径一侧，于360℃下、氮气氛围中加热30min，即在泡沫镍一侧形成第一微孔层；
将10mg、平均内径12nm、平均外径40nm、平均长度30μm的碳纳米管与40mg、平均粒径65nm的炭黑相混合，并加入0.67ml异丙醇以及14μL质量浓度为60％的聚四氟乙烯浓缩分散液，超声处理2h后得到浆料，再将浆料涂覆至第一微孔层表面，于360℃下、氮气氛围中加热30min，即在泡沫镍一侧形成第二微孔层。
2.一种燃料电池，其特征在于，包括：
电解质膜；
阴极催化层，其与所述电解质膜一侧面相贴合；
阳极催化层，其与所述电解质膜另一侧面相贴合；
阳极气体导流扩散流场板，其与所述阳极催化层一侧面相贴合；
阴极气体导流扩散流场板，其与所述阴极催化层一侧面相贴合；
第一双极板，其与所述阳极气体导流扩散流场板一侧面相贴合；
第二双极板，其与所述阴极气体导流扩散流场板一侧面相贴合；
其中，所述阳极气体导流扩散流场板和阴极气体导流扩散流场板均采用如权利要求1所述的制备方法制备得到的气体导流扩散流场板。
CN202110949981.4A 2021-08-18 2021-08-18 一种气体导流扩散流场板及其制备方法、燃料电池 Active CN113675420B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110949981.4A CN113675420B (zh) 2021-08-18 2021-08-18 一种气体导流扩散流场板及其制备方法、燃料电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110949981.4A CN113675420B (zh) 2021-08-18 2021-08-18 一种气体导流扩散流场板及其制备方法、燃料电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113675420A CN113675420A (zh) 2021-11-19
CN113675420B true CN113675420B (zh) 2022-06-21

Family

ID=78543687

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110949981.4A Active CN113675420B (zh) 2021-08-18 2021-08-18 一种气体导流扩散流场板及其制备方法、燃料电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113675420B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114725420B (zh) * 2022-04-28 2023-06-09 一汽解放汽车有限公司 气体扩散层及其制备方法、及膜电极组件和燃料电池
CN114725399B (zh) * 2022-04-28 2023-10-17 一汽解放汽车有限公司 一种低温冷启动适应性气体扩散层及其制备方法与燃料电池
WO2024036558A1 (zh) * 2022-08-18 2024-02-22 罗伯特·博世有限公司 流场板、双极板及其制造方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104704664A (zh) * 2012-06-13 2015-06-10 努威拉燃料电池有限公司 用于与电化学电池联用的流动结构
CN110114924A (zh) * 2016-12-22 2019-08-09 罗伯特·博世有限公司 用于燃料电池的双极板和燃料电池
CN112635783A (zh) * 2020-12-21 2021-04-09 天津大学 基于渗透率差异化金属泡沫不含气体扩散层的燃料电池

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100040926A1 (en) * 2008-06-23 2010-02-18 Nuvera Fuel Cells, Inc. Consolidated fuel cell electrode
US20170200954A1 (en) * 2015-09-16 2017-07-13 Uti Limited Partnership Fuel cells constructed from self-supporting catalyst layers and/or self-supporting microporous layers

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104704664A (zh) * 2012-06-13 2015-06-10 努威拉燃料电池有限公司 用于与电化学电池联用的流动结构
CN110114924A (zh) * 2016-12-22 2019-08-09 罗伯特·博世有限公司 用于燃料电池的双极板和燃料电池
CN112635783A (zh) * 2020-12-21 2021-04-09 天津大学 基于渗透率差异化金属泡沫不含气体扩散层的燃料电池

Also Published As

Publication number Publication date
CN113675420A (zh) 2021-11-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113675420B (zh) 一种气体导流扩散流场板及其制备方法、燃料电池
Wang et al. Micro-porous layer with composite carbon black for PEM fuel cells
Yan et al. Effects of fabrication processes and material parameters of GDL on cell performance of PEM fuel cell
AU2020200913A1 (en) Flow fields for use with an electrochemical cell
US7803490B2 (en) Direct methanol fuel cell
JP2001283892A (ja) 水素イオン交換膜固体高分子燃料電池及び直接メタノール燃料電池用単電極セルパック
US20180145341A1 (en) Component for fuel cell including graphene foam and functioning as flow field and gas diffusion layer
KR101164874B1 (ko) 저온 전사법을 이용한 막전극접합체 제조방법, 이에 따라제조된 막전극접합체 및 이를 이용한 연료전지
Kariya et al. Effects of the porous structures in the porous flow field type separators on fuel cell performances
JP3459615B2 (ja) 燃料電池用電極及び燃料電池
JP2009026546A (ja) 燃料電池用の電極と電極形成用の電解質分散溶液とその製造方法および固体高分子型燃料電池
JP5126812B2 (ja) 直接酸化型燃料電池
US10483555B2 (en) Fuel cells using vertically free standing graphene and carbon nanosheets
CN103367768B (zh) 一种制备质子交换膜燃料电池双层催化层结构的方法
JP2005056583A (ja) 燃料電池用電解質膜電極接合体、それを用いた燃料電池およびその製造方法
US7741243B2 (en) Production method of catalyst layer
JP2010244791A (ja) 直接メタノール型燃料電池
US20160172692A1 (en) Diffusion medium for use in fuel cell, fuel cell and method of making the diffusion medium
US8632927B2 (en) Membraneless fuel cell and method of operating same
JP2008153052A (ja) 燃料電池用膜電極接合体およびそれを用いた燃料電池
US7306874B2 (en) PEM fuel cell stack with coated flow distribution network
WO2021257711A1 (en) Multi-interface membrane electrode assembly
EP1521658A2 (en) Porous metal stack for fuel cells or electrolysers
NI et al. Performance of special-shaped direct methanol fuel cell with sol-gel flux phase
WO2013064726A1 (en) A method for manufacturing a passive direct methanol fuel cell and a passive direct methanol fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant