[发明专利]一种燃料电池气体扩散层及加工方法

说明书

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”。

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。