一种带有变梯度交错引导流道的气体扩散层及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种带有变梯度交错引导流道的气体扩散层极其制备方法，气体扩散层靠近双极板一侧表面设置有纵向流道和横向流道，流道之外的部分称之为脊背不，横向流道3平行于气体流动方向且其数量沿气体流动方向不断增加，纵向流道垂直于气体流动方向且其深度沿气体流动方向逐渐增加，纵向流道和横向流道交错设置且相互连通，且横向流道沿其长度方向具有一定坡度，本发明专利技术另外提供了其对应的制备方法，通过飞秒激光加工的方法，在靠近双极板一侧的基底层表面制备变梯度交错引导流道，来减少燃料电池冷启动时水结成冰的含量，加快液态水的排出，增加透气性，从而增加燃料电池效率，结构设计巧妙，实用价值广。实用价值广。实用价值广。

【技术实现步骤摘要】
一种带有变梯度交错引导流道的气体扩散层及其制备方法


[0001]本专利技术属于质子交换膜燃料电池
，具体涉及一种带有变梯度交错引导流道的气 体扩散层及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池是一个以氢气作为燃料，质子交换膜(PEM)作为电解质,通过电化学 反应将化学能转化为电能的发电装置。与其他类型燃料电池相比，质子交换膜燃料电池具有 结构紧凑、效率高、可靠性高和寿命长等优势。然而，由于阴极对空气开放，在低压运行时， 水由于低蒸汽压、热量和空气对流的影响下迅速蒸发，这会导致质子交换膜电阻增加，从而 影响电池效率。
[0003]质子交换膜燃料电池系统运行的稳定性很大程度上取决于其水管理的能力。在燃料电池 运行时，阴极催化层与气体扩散层交界处氧气与氢离子发生还原反应生成大量液态水，这些 液态水需要通过气体扩散层(气体扩散层(GDL)是燃料电池核心组件膜电极的重要组成部分， 在燃料电池系统中担当水气输运、热量传递、电子传导的载体，并在装配和运行过程中为其 他组件提供结构支撑的功能)向双极板方向渗透，从而排出系统。如果生成的液态水没有及 时被排出，会在催化层堆积，阻碍反应的进一步进行，造成“水淹”现象，对电池性能产生重 大影响，可见，气体扩散层的性能直接影响着电化学反应的进行和电池的工作效率，因此对 燃料电池气体扩散层透气性和排水性的深入研究尤为重要。
[0004]现有技术中，针对燃料电池气体扩散层水气管理主要考虑两个方面，第一是与其他特殊 材料结合形成复合GDL，改变材料性质，从而增强气体扩散层的透气性和排水性，但需要 对本身进行二次加工，流程繁琐；第二是通过在气体扩散层上添加疏水剂PTFE，增加气体扩 散层表面的疏水性，从而加快液态水的排出，这种方法虽然不需要进行改变GDL材料性质， 但是在燃料电池长期工作下，PTFE涂料脱落，亲水杂质累积，气体扩散层表面的亲水性会越 来越强。
[0005]目前，燃料电池在零下环境中，其反应生成物水会因低温而冻结，无法及时从阴极排出， 造成燃料电池性能下降，无法启动。现在冷启动策略主要是停机吹扫、外部预热和内部升温， 停机吹扫不足之处在于，膜电极和流场之间的水浓度差较小，短时间内难以从流场流道中带 走膜电极中的水；升温的方法均是通过温度的上升，将水保持液态的状态下排出。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术中冷启动时冰含量过多、反应液态水无法及时排出等问题，提出一 种带有变梯度交错引导流道的气体扩散层及其制备方法，以提高反应气体向微孔层的传递速 率，增强气体扩散层分配气体能力，设计引导流道结构增加催化层和气体扩散层之间的压力， 增强排水能力，避免过多的水分阻塞孔隙而导致“水淹”现象。
[0007]本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种带有变梯度交错引导流道的气体扩散
层，气 体扩散层靠近双极板一侧表面设置有纵向流道和横向流道，相邻横向流道之间的部分称之为 脊背部；
[0008]横向流道平行于气体流动方向且其数量沿气体流动方向逐渐增加，纵向流道垂直于气体 流动方向且其深度沿气体流动方向逐渐增加，纵向流道和横向流道交错设置且相互连通。
[0009]进一步的，所述横向流道沿气体流动方向倾斜设置，横向流道具有相同的坡度和深度， 由于横向流道数量的增加和纵向流道深度的加深，适应液态水含量不同时，对应不同的排水 强度。
[0010]进一步的，沿脊背部的周向边缘设置有微圆角结构，以增强气体扩散层的回弹性能和提 高气体扩散层与密封线在压缩量和压缩力之间的匹配程度。
[0011]进一步的，所述纵向流道的深度呈等梯度递增。
[0012]进一步的，所述横向流道的坡度介于5
°
至30
°
之间。
[0013]进一步的，所述脊背部的长度不变，其宽度随着气体流动方向不断减小。
[0014]进一步的，所述气体扩散层上中间部分脊背部的长度小于气体扩散层上左右两端部分脊 背部的长度，脊背部的宽度随着气体流动方向不断减小。
[0015]进一步的，所述横向流道、纵向流道和微圆角结构统称为微结构，所述微结构面积占气 体扩散层总面积的25％至50％。
[0016]本专利技术另外还提出一种基于带有变梯度交错引导流道的气体扩散层的制备方法，包括如 下步骤：
[0017](1)将气体扩散层靠近双极板一侧表面进行飞秒激光微纳技术加工；
[0018]加工所述纵向流道和横向流道结构的激光参数为：激光波长500nm
‑
1000nm，功率 0.1W
‑
25W，重复频率为0
‑
200kHz，脉宽0
‑
130ns；加工所述微圆角结构的激光参数为：激光 波长500nm
‑
1000nm，功率0.1W
‑
5W，重复频率为0
‑
500kHz，脉宽0
‑
20ps；
[0019](2)进行去毛刺处理：利用超声清洗、辉光清洗和溅射清洗依次对飞秒激光微加工后的 气体扩散层进行去毛刺处理。
[0020]进一步的，所述气体扩散层材料选用碳纸，质量轻、表面平整、耐腐蚀、孔隙均匀且强 度高。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：
[0022](1)设计变梯度交错引导流道结构，当液态水含量不同时，变梯度交错结构对应产生不 同的排水强度，增强气体流动方向水分布的一致性，引导流道的设计增加了催化层和气体扩 散层之间的压力，产生毛细作用力，引导液态水排出，增强排水能力，避免过多的水分阻塞 孔隙而导致“水淹”现象；
[0023]而且，通过变梯度交错结构，明显减少气体入口处的水含量，随之水结成冰的含量也降 低，燃料电池启动时，升温融冰的速度更快，提高了燃料电池冷启动能力；
[0024](2)通过设置横向流道和纵向流道，增加了反应气体与流道的接触面积，提高反应气体 向微孔层的传递速率和反应气体的润湿效果，气体扩散层分配气体能力增强和气体反应稳定 性增强，提高了电池性能；
[0025](3)在脊背部设置微圆角(圆弧)结构，增强气体扩散层的回弹性能和提高气体扩散层 与密封线在压缩量和压缩力之间的匹配程度，提高膜电极结构的稳定性。
[0026](4)气体扩散层交错引导流道结构采用飞秒激光的加工方法，简化加工过程，提高加工 水平，增加气体扩散层使用寿命，工作状态更加稳定。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例所述气体扩散层的整体结构示意图；
[0028]图2为本专利技术实施例所述气体扩散层的俯视结构示意图；
[0029]图3为本专利技术实施例A处的立体结构示意图；
[0030]图4为本专利技术实施例B处结构示意图；
[0031]图5为本专利技术实施例横向流道、纵向流道和脊背部结构示意图；
[0032]图6为本专利技术实施例C
‑
C向剖视截面结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带有变梯度交错引导流道的气体扩散层，气体扩散层靠近双极板一侧表面设置有纵向流道(2)和横向流道(3)，相邻横向流道(3)之间的部分称之为脊背部(1)，其特征在于：横向流道(3)平行于气体流动方向且其数量沿气体流动方向逐渐增加，纵向流道(2)垂直于气体流动方向且其深度沿气体流动方向逐渐增加，纵向流道(2)和横向流道(3)交错设置且相互连通。2.根据权利要求1所述的带有变梯度交错引导流道的气体扩散层，其特征在于：所述横向流道(3)沿气体流动方向倾斜设置，横向流道(3)具有相同的坡度和深度。3.根据权利要求1所述的带有变梯度交错引导流道的气体扩散层，其特征在于：沿脊背部(1)的周向边缘设置有微圆角结构(4)。4.根据权利要求1所述的带有变梯度交错引导流道的气体扩散层，其特征在于：所述纵向流道(2)的深度呈等梯度递增。5.根据权利要求2所述的带有变梯度交错引导流道的气体扩散层，其特征在于：所述横向流道(3)的坡度介于5
°
至30
°
之间。6.根据权利要求1所述的带有变梯度交错引导流...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱维，谢佳平，匡金俊，顾园园，
申请(专利权)人：海卓动力青岛能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：