CN114335571B - 一种气体扩散层、质子交换膜燃料电池及动力总成 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体扩散层、质子交换膜燃料电池及动力总成，包括阳极扩散层和阴极扩散层，所述阳极扩散层靠近阳极流道，所述阴极扩散层靠近阴极流道；所述阳极扩散层内均匀布设有多个孔隙结构；所述阴极扩散层内布设有多个孔隙结构，且所述孔隙结构的孔隙率沿流体流动方向上梯度增大；且所述阴极扩散层内与阴极流道位置对应的部分，设置有若干通孔，且通孔孔径沿流体流动方向上梯度增大。本发明通过对气体扩散层的结构改进，有效的促进水的排出和降低气体传输阻力，解决大功率燃料电池动力总成出现的水淹和反应不均匀问题。

Description

一种气体扩散层、质子交换膜燃料电池及动力总成

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种气体扩散层、质子交换膜燃料电池及动力总成。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

燃料电池是一种新型的清洁动力装置，拥有工作温度低、零污染、无腐蚀等优点，在动力工程的研究领域，特别是在零排放应用层面上一直保持有相当的热度。燃料电池可以直接将燃料中的化学能通过化学反应转化为电能，其反应生成物只有水，而且能量密度高，续航时间长，输出功率大，因此在诸多需要大量动力的场合得到应用，并被认为是最具发展潜力的电源之一。然而，燃料电池在工作过程中会产生大量的水，如果不能对这些水进行有效的排出，就会在电池内形成水淹现象，不仅会阻碍气体在电池内的传输和反应，还会降低电池的输出性能、影响电池的寿命。这一情况在需要燃料电池提供大功率的场合尤其需要重视。因此燃料电池应该能有效传输气体和管理水含量。

气体扩散层是燃料电池的重要组成部分之一，不仅起到支撑催化层、稳定电极结构的作用，而且可以运输反应气体、传导电子和作为排水通道。一般来说，气体扩散层满足四个条件，即：良好的导电性、透气性，适当的亲/疏水性和良好的机械强度。然而，在需要输出较大的电流密度和功率的情况下，需要使用尺寸较大的燃料电池，此时气体扩散层容易出现“水淹”现象，扩散层内水分布不一致会导致传质不足和反应不均匀等问题，从而降低电池性能。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种气体扩散层、质子交换膜燃料电池及动力总成，本发明通过对气体扩散层的结构改进，有效的促进水的排出和降低气体传输阻力，解决现有技术在输出大功率时的“水淹”和反应不均匀问题。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种气体扩散层，包括阳极扩散层和阴极扩散层，所述阳极扩散层靠近阳极流道，所述阴极扩散层靠近阴极流道；

所述阳极扩散层为均匀孔隙结构；

所述阴极扩散层内布设有变化的孔隙结构，且所述孔隙结构的孔隙率沿流体流动方向上梯度增大；

且所述阴极扩散层内与阴极流道位置对应的部分，设置有若干通孔，且通孔孔径沿流体流动方向上梯度增大。

作为可选择的实施方式，所述孔隙结构通过黏性混合物制成，所述黏性混合物包括碳粉、异丙醇、碳酸锂和作为疏水物质的聚四氟乙烯，所述黏性混合物按照梯度规律涂覆在碳纸上形成所述的阴极扩散层；

所述黏性混合物均匀涂覆在碳纸上作为阳极扩散层。

作为可选择的实施方式，所述梯度呈线性梯度规律变化。

作为可选择的实施方式，所述阴极扩散层的孔隙率变化符合：其中ε为孔隙率，x为距离气体入口的距离，L为燃料电池的总长度，a、b为常数，单位为mm。

作为可选择的实施方式，所述阴极扩散层位于阴极流道的中心线上的部分设置有若干贯穿扩散层的通孔，且所述通孔的孔径沿流体流动方向按照皮尔生长曲线变化；

以流道中心线为对称中心线，其他部分与阴极流道对应的部分、轴对称分布有若干贯穿扩散层的通孔，且该部分的通孔的孔径沿与中心线垂直、与扩散层平面平行方向按照与皮尔生长曲线联合的龚帕兹生长曲线变化。

作为进一步的限定，流道中心线上的气体扩散层孔径符合的函数为：其中i为第i个孔，D_i为第i个孔的孔径大小，x_i为第i个孔到气体入口的距离，单位为mm，K₁，a₁，b₁，c₁为常数，下一个孔的位置由上一个孔决定，符合函数：/>d₁，e₁为常数。

作为进一步的限定，其他部分的流道中心线两侧的孔径均符合与皮尔生长曲线联合计算的龚帕兹生长曲线函数：j为第j个孔，且3<j<6，其中D_i，j为靠近第i个孔的第j个孔的孔径大小，y_i，j为孔心与流道中心线的距离，a₂，b₂，c₂为常数，K₂是关于D的函数，/>从而实现根据流道中心线上的孔径大小计算对称方向上的孔径大小，且下一个孔的位置由上一个孔决定，符合函数：d₂，e₂为常数。

作为进一步的限定，所述通孔的横截面为圆形。

一种质子交换膜燃料电池，包括：

用于传质的质子交换膜；

在质子交换膜两侧分别设置的、用于增强电池反应的催化层；

上述气体扩散层，且阳极扩散层和阴极扩散层分别与一催化层连接；

以及，与气体扩散层连接的双极板；

且所述双极板内分别设置有阳极流道和阴极流道。

作为可选择的实施方式，所述双极板的外沿均设置有冷却流道，且冷却流道距离阳极流道和阴极流道的距离相同。

作为可选择的实施方式，所述阳极流道为蛇形或S形流道；所述阴极流道为直流道或线形流道；

各类流道均有若干条，相邻流道之间的距离大于设定值。

作为可选择的实施方式，所述阳极流道与阴极流道的横截面均为等腰梯形，且高度相同；

所述冷却流道横截面为矩形。

一种动力总成，包括上述质子交换膜燃料电池。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的阴极气体扩散层的孔隙率呈线性梯度规律变化，当气体扩散层在沿着气体流动方向的孔隙率逐渐增大的时候，毛细阻力逐渐减小，因此有利于根据燃料电池生成水的规律改善内部的水管理情况。

本发明的阴极气体扩散层在流道中心线上的扩散层按照皮尔生长曲线进行打孔，在流道中心线为对称的方向则按照与皮尔生长曲线联合的龚帕兹生长曲线进行处理，而在与极板接触的部分则不进行打孔。进行打孔的部分气体扩散层，由于改变了局部区域的孔隙率，导致孔结构附近的毛细阻力相对于周围结构较低，为液态水的输送提供了优选路径，水更容易从催化层传输到流道，从而优化扩散层的水分布。且由于打孔规律符合水生成规律和气体流道阻力上升规律，可以减少气体流动的压力损失和防止膜干。

本发明具有广泛的应用前景，能够用于需要输出大功率的动力设备或动力总成，与现有的大功率质子交换膜燃料电池相比，本发明通过改良的气体扩散层，在电池水管理与传质过程上进行了相当的优化，能够缓解“水淹”现象的发生与气体传输受阻，提高了电池效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本实施例的质子交换膜燃料电池的阴极气体扩散层的俯视示意图(部分)；

图2为质子交换膜燃料电池的阴极气体扩散层的横截面示意图(部分)；

图3为质子交换膜燃料电池的装配示意图(部分)。

图中，1为流道中心线外的通孔，2为流道中心线处的通孔，3为流道中心线处通孔的距离，4为流道中心线外的通孔距离中心线的距离，5为流道下的气体扩散层，6为极板脊下的气体扩散层，7为流道中心线，8为气体扩散层，9为阴极气体扩散层内部的孔隙结构，10为阴极流道，11为催化层，12为阳极流道，13为冷却流道，14为质子交换膜。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一：

一种气体扩散层，用于质子交换膜燃料电池，包括阳极扩散层和阴极扩散层，所述阳极扩散层靠近阳极流道12，所述阴极扩散层靠近阴极流道10；

所述阳极扩散层为均匀孔隙结构；

所述阴极扩散层为变化的孔隙结构，且所述孔隙结构的孔隙率沿流体流动方向上梯度增大；

且所述阴极扩散层内与阴极流道10位置对应的部分，设置有若干通孔，且通孔孔径沿流体流动方向上梯度增大。

所述孔隙结构通过黏性混合物制成，所述黏性混合物包括碳粉、异丙醇、碳酸锂和作为疏水物质的聚四氟乙烯，所述黏性混合物按照梯度规律涂覆在碳纸上作为阴极扩散层；

所述黏性混合物均匀涂覆在碳纸上作为阳极扩散层。

在本实施例中，阴极扩散层的孔隙率变化符合：其中为孔隙率，x为距离气体入口的距离，L为燃料电池的总长度，a、b为常数，可以根据具体情况选取相应的数值。

在本实施例中，阴极扩散层位于阴极流道10的中心线上的部分设置有若干贯穿扩散层的通孔，且所述通孔的孔径沿流体流动方向按照皮尔生长曲线变化；

以流道中心线为对称中心线，其他部分与阴极流道10对应的部分、轴对称分布有若干贯穿扩散层的通孔，且该部分的通孔的孔径沿流体流动方向按照与皮尔生长曲线联合的龚帕兹生长曲线变化。

在本实施例中，流道中心线上的气体扩散层孔径符合的函数为：其中i为第i个孔，D_i为第i个孔的孔径大小，x_i为第i个孔到气体入口的距离，单位为mm，K₁，a₁，b₁，c₁为常数，下一个孔的位置由上一个孔决定，符合函数：/>d₁，e₁为常数。

在本实施例中，其他部分的气体扩散层两侧的孔径均符合与皮尔生长曲线联合计算的龚帕兹生长曲线函数：j为第j个孔，且3<j<6，其中D_i，j为靠近第i个孔的与流道方向垂直第j个孔的孔径大小，y_i，j为孔心与流道中心线的距离，a₂，b₂，c₂为常数，K₂是关于D的函数，/>从而实现根据流道中心线上的孔径大小计算对称方向上的孔径大小，且下一个孔的位置由上一个孔决定，符合函数：/>d₂，e₂为常数。

在本实施例中，上述常数均可以根据具体情况选取相应的数值。

实施例二：

质子交换膜燃料电池电堆，如图3所示，包括在电池的阴极流道10和阳极流道12分别为直流道与蛇形流动的双极板、用于增强电池反应的催化层、用于传质的质子交换膜和气体扩散层。

气体扩散层的孔隙率符合线性规律，并按照皮尔生长曲线和龚帕兹生长曲线对扩散层进行垂直打孔处理；另外，对扩散层进行疏水处理，通过此方法改善气体传输时的阻力和水管理情况，保证水分布在气体流动方向上的一致性。

在本实施例中，质子交换膜燃料电池总长度为L，长度范围为750～900mm，宽度为B，范围为500～650mm，单电池的厚度为H，范围为22～26mm，电堆总共包括n节单电池。

在本实施例中，双极板在阴极方向为直流道，在阳极方向为蛇形流动，且曲率恒定为K，K的值为20～60。双极板为铝材料或石墨材料制作。流道之间的最小距离为6～10mm。

在本实施例中，阳极流道12与阴极流道10的横截面均为等腰梯形，且高度相同，为h_channel，范围为3～5mm，流道上宽度为b_up，范围为10～15mm，肋宽为b_down，范围为12～18mm，流道之间的距离为b_bi-chanel，范围为8～12mm。

在本实施例中，双极板在阴极与阳极流道12之间具有冷却流道13，冷却流道13距离阴阳极流道12距离相同，为L_{cool_channel}，冷却流道13横截面为矩形，高度为h_cool，范围为2～4mm，宽度为b_cool，范围为20～25mm。

在本实施例中，催化层使用纳米多孔碳膜，催化剂为Pt/c。催化剂在纳米多孔碳膜一侧形成1～3μm厚的催化剂层。纳米多孔碳膜为均匀多孔介质，孔径大小为65～95nm。

在本实施例中，质子交换膜为杜邦Nafion XL100膜，厚度为h_Nafion，范围为26～30μm。

所述气体扩散层厚度为h_GDL，范围为1～3mm。

当然，上述参数、材料的选型仅为示例，在其他实施例中，可以根据具体情况或需求进行调整或变更。此为本领域技术人员容易想到的，理应属于本发明的保护范围。

气体扩散层在阴、阳极具有不同的规律，阳极扩散层为均匀扩散层，孔隙率在扩散层内均匀分布，而阴极扩散层孔隙率在流体流动方向上梯度变化，并进行疏水处理。燃料电池在工作时，气体反应生成水，产生的水会沿着气体流道方向逐渐增多，从而导致膜电极中水含量沿着气体流动方向逐渐增多，并有可能出现“水淹”现象。因此，该孔隙率梯度分布规律具有随着水含量增加排水性能增强的效果，有利于保证反应一致性，提高电池性能。

在本实施例中，碳粉、异丙醇、作为造孔剂的碳酸锂和疏水物质制备成粘性混合物。碳粉的含量为2.5～5mg/cm²，异丙醇和碳酸锂为3～10mg/cm²。疏水物质选择聚四氟乙烯，质量含量范围为5～35wt％。

在本实施例中，利用碳粉、异丙醇、碳酸锂和聚四氟乙烯的黏性混合物按照线性梯度规律涂覆在碳纸上作为气阴极体扩散层，均匀涂覆在碳纸上作为阳极气体扩散层。

在本实施例中，阴极气体扩散层通过造孔剂的在气体流动方向上含量的逐渐增加，使气体扩散层的孔隙率呈线性梯度规律变化，当气体扩散层在沿着气体流动方向的孔隙率逐渐增大的时候，毛细阻力逐渐减小，因此有利于根据燃料电池生成水的规律改善内部的水管理情况。孔隙率过低不利于气体和水的传质影响电池性能，孔隙率过高则降低扩散层的刚度，增加气体扩散层电阻。

在本实施例中，阴极扩散层孔隙率变化的规律符合：其中ε为孔隙率，x为距离气体入口的距离，L为燃料电池的总长度。

在本实施例中，阳极气体扩散层为均匀扩散层，孔隙率为0.7。

所述的阴极气体扩散层进行打孔处理，方向为沿着催化层到流道方向，孔的横截面为圆形。在流道中心线上的扩散层按照皮尔生长曲线进行打孔，在流道中心线为对称的方向则按照与皮尔生长曲线联合的龚帕兹生长曲线进行处理，而在与极板接触的部分则不进行打孔。进行打孔的部分气体扩散层，由于改变了局部区域的孔隙率，导致孔结构附近的毛细阻力相对于周围结构较低，为液态水的输送提供了优选路径，水更容易从催化层传输到流道，从而优化扩散层的水分布。且由于打孔规律符合水生成规律各气体流道阻力上升规律，可以减少气体流动的压力损失和防止膜干。

在本实施例中，如图2所示，在流道中心线上的孔其孔高为h_z，且h_z＝h_GDL，即保证流道与催化层联通，使生成的水直接通过气体扩散层的孔传递至流道；其孔径大小符合皮尔生长曲线，沿气体流道方向逐渐增加，且增加速度逐渐增大，如图1所示，这是为了符合流动阻力和水生成量的规律；到了一定值后，为了保持扩散层的机械刚度，过大的孔会降低气体扩散层的使用寿命，故孔径不能一直无止境上升。由于相同的原因，孔间距离也需要符合一定的规律，若距离气体入口太近时孔距过大，会造成膜干的问题，而在距离出口较近的扩散层处则需要较小的孔距，以便排水和减小气体流动阻力。

在本实施例中，流道中心线上的气体扩散层孔径符合的函数为：其中i为第i个孔，D_i为第i个孔的孔径大小，x_i为第i个孔距离气体入口的距离，单位为mm，规定x₁＝0，为保证打孔工艺的规范化，计算值保留两位有效数字，最大孔径为0.200mm，K₁，a₁，b₁为常数，大小分别为a₁＝0.0004，b₁＝-1.429，K₁＝-6.435，下一个孔的位置由上一个孔决定，符合函数：/>

在本实施例中，沿着流道中心线方向对称也需要穿孔处理，孔高同样为h_z，其孔径大小以流道中心线上的孔为基准，符合龚帕兹生长曲线规律。由于边界层和气体粘性的存在，在靠近流道边界处会出现流速下降的现象，从而使同一横截面上流速分布不均，靠近边界处的流速较低会导致该处排水能力的下降，所以较大的扩散层孔径可以优化水管理能力。而在对称方向上孔数量过多会影响扩散层的刚度，数量过少则无法对流速的变化做出正确反应，因此对孔的数量也需要进行选择。

在本实施例中，沿着流道中心线对称方向上的气体扩散层两侧的孔径均符合与皮尔生长曲线联合计算的龚帕兹生长曲线函数：j为第j个孔，且3<j<6。其中D_i，j为靠近第i个孔的第j个孔的孔径大小，y_i，j为孔心与流道中心线的距离，规定y₁＝0，单位为mm，为保证打孔工艺的规范化，计算值保留两位有效数字，a、b为常数，a₂＝1.101，b₂＝2.531，K₂是关于D的函数，/>从而实现根据流道中心线上的孔径大小计算对称方向上的孔径大小，且下一个孔的位置由上一个孔决定，符合函数：/>

同样的，上述参数的设置或选择，部件形状的设备，仅为示例，在其他实施例中，可以根据具体情况或需求进行调整或变更。此为本领域技术人员容易想到的，理应属于本发明的保护范围。

实施例三：

一种动力总成或动力设备，包括实施例二的质子交换膜燃料电池如卡车、拖拉机等工程机械设备。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种气体扩散层，其特征是：包括阳极扩散层和阴极扩散层，所述阳极扩散层靠近阳极流道，所述阴极扩散层靠近阴极流道；

所述阳极扩散层为均匀的孔隙结构；

所述阴极扩散层为变化的孔隙结构，且所述孔隙结构的孔隙率沿流体流动方向上梯度增大；

且所述阴极扩散层内与阴极流道位置对应的部分，设置有若干通孔，且通孔孔径沿流体流动方向上梯度增大。

2.如权利要求1所述的一种气体扩散层，其特征是：所述孔隙结构由黏性混合物制成，所述黏性混合物包括碳粉、异丙醇、碳酸锂和聚四氟乙烯，所述黏性混合物按照梯度规律涂覆在碳纸上作为阴极扩散层；

所述黏性混合物均匀涂覆在碳纸上作为阳极扩散层。

3.如权利要求1所述的一种气体扩散层，其特征是：所述梯度呈线性梯度规律变化；

孔隙率变化符合：其中ε为孔隙率，x为距离气体入口的距离，L为燃料电池的总长度，a、b为常数。

4.如权利要求1所述的一种气体扩散层，其特征是：所述阴极扩散层位于阴极流道的中心线上的部分设置有若干贯穿扩散层的通孔，且所述通孔的孔径沿流体流动方向按照皮尔生长曲线变化；

以流道中心线为对称，其他部分与阴极流道对应的部分、轴对称分布有若干贯穿扩散层的通孔，且该部分的通孔的孔径沿流体流动方向按照与皮尔生长曲线联合的龚帕兹生长曲线变化。

5.如权利要求4所述的一种气体扩散层，其特征是：流道中心线上的气体扩散层孔径符合的函数为：其中i为第i个孔，D_i为第i个孔的孔径大小，x_i为第i个孔到气体入口的距离，K₁，a₁，b₁，c₁为常数，下一个孔的位置由上一个孔决定，符合函数：/>d₁，e₁为常数；L为燃料电池的总长度。

6.如权利要求5所述的一种气体扩散层，其特征是：其他部分的气体扩散层两侧的孔径均符合与皮尔生长曲线联合计算的龚帕兹生长曲线函数：j为第j个孔，且3<j<6，其中D_i，j为靠近第i个孔与流动方向垂直的第j个孔的孔径大小，y_i，j为孔心与流道中心线的距离，a₂，b，c₂为常数，K₂是关于D的函数，/>其中a₁为常数，D_i为第i个孔的孔径大小；从而实现根据流道中心线上的孔径大小计算对称方向上的孔径大小，且下一个孔的位置由上一个孔决定，符合函数：/>d₂，e₂为常数，b_down为肋宽，范围为12～18mm。

7.一种质子交换膜燃料电池，其特征是：包括：

用于传质的质子交换膜；

在质子交换膜两侧分别设置的、用于增强电池反应的催化层；

如权利要求1-6任一项所述的气体扩散层，且阳极扩散层和阴极扩散层分别与一催化层连接；

以及，与气体扩散层连接的双极板；

且所述双极板内分别设置有阳极流道和阴极流道。

8.如权利要求7所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征是：所述双极板设置有冷却流道，且冷却流道距离阳极流道和阴极流道的距离相同。

9.如权利要求8所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征是：所述阳极流道为蛇形或S形流道；所述阴极流道为直流道或线形流道；

各类流道均有若干条，相邻流道之间的距离大于设定值；

所述阳极流道与阴极流道的横截面均为等腰梯形，且高度相同；

所述冷却流道横截面为矩形。

10.一种动力总成，其特征是：包括权利要求7-9中任一项所述的质子交换膜燃料电池。