一种改善质子交换膜燃料电池传热的气体扩散层的制作方法

1.本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种改善质子交换膜燃料电池传热性能的气体气体扩散层。


背景技术：

2.燃料电池核心零部件主要是双极板、气体扩散层、催化剂、质子交换膜，在燃料电池运行过程中，电化学反应产生的热量占总化学能的50%。温度过高会使质子交换膜脱水，加速质子交换膜的化学降解，最终将引起质子交换膜燃料电池pemfc（proton exchange membrane fuel cell, pemfc）性能和使用寿命的衰退。目前，常见的燃料电池的设计中，通常使用炭纸、炭布作为气体扩散层的基底层，其导热性能与双极板相比较差，并且流道与气体扩散层之间由于气体的隔离导致流道下方区域的传热性能差于脊下方区域。


技术实现要素：

3.本发明针对目前技术缺点，提供了一种改善质子交换膜燃料电池传热的气体扩散层，包括基底层和微孔层，基底层一侧间隔分布极板脊下基底层结构及极板流道下基底层结构，基底层另一侧与微孔层相连；所述极板脊下基底层结构与所述极板流道下基底层结构之间呈平缓过渡。
4.进一步地，极板脊下基底层结构为平面，极板流道下基底层结构为凸起。
5.进一步地，极板脊下基底层结构的厚度为100～350微米，所述微孔层的厚度为10～150微米。
6.进一步地，凸起截面形状包括但不限定于矩形、梯形、半圆形、椭圆形。
7.进一步地，凸起的高度小于等于极板流道下基底层结构的深度；所述凸起的顶部宽度和底部宽度都小于等于极板流道下基底层结构的宽度。
8.进一步地，基底层的平均孔隙率约为65-80％。
9.基底层材料包括金属泡沫、炭泡沫、炭纸、碳布等。金属泡沫的制造方法包括金属纤维烧结、铸型铸造和电沉积等方式，其具有质量轻、导电率高、机械强度高和比表面积大等优势，常见的材料包括不锈钢泡沫、镍泡沫和铜泡沫等；微孔层由导电多孔材料与憎水剂在溶剂中分散均匀，形成浆料；将此浆料均匀的制备到基底层不含凸起结构的一侧；最后将制备有微孔层的气体扩散层置于高温焙烧炉中热处理。
10.导电多孔材料为导电碳黑、碳纤维、活性碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳微球或石墨粉等；气体扩散层的微孔层中总的导电碳材料担量为0.1~5.0 mg/ cm2，较好为0.5-3.0mg/cm2，最好为1.0-2.0mg/cm2。
11.憎水剂为含氟聚和物，如：包括聚四氟乙烯（ptfe），偏四氟乙烯（pvdf），聚四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚（pfa），氟化乙丙烯（fep）或乙烯/四氟乙烯共聚物树脂（etfe）；气体扩散层的微孔层中憎水剂的用量为憎水剂和导电碳材料总量的5-50 wt.%，较好为10~40 wt.%，最好为20-30 wt.%。
12.微孔层制备方法有喷涂、刮涂、抽虑和丝网印刷；热处理过程为150-280℃加热10~100分钟，然后在300-400℃焙烧10-100分钟。
13.气体扩散层的平均孔隙率为65-80％，孔隙率过低不利于气体和水的传质影响电池性能，孔隙率过高降低气体扩散层刚度，增加气体扩散层体电阻。
14.根据相应的电池情况，比如规格、工作工况等，相应选择基底层、微孔层的厚度尺寸、材料以及微孔层的制备方法。
15.本发明的有益效果：本发明与现有技术相比，金属泡沫基底层的机械强度及导热性均高于传统炭纸基底层。双极板流道下方填充的基底层外凸可以大幅提高流道下方的导热性，并使极板流道下方与极板脊背下方的导热性接近，改善了燃料电池的热分布。
附图说明
16.图1为传统碳纸扩散层区域示意图；图2为本发明实施例中泡沫金属扩散层区域示意图；图3为采用传统碳纸扩散层的质子交换膜燃料电池热分布图；图4为本发明实施例的质子交换膜燃料电池热分布图。
17.附图标记：1、基底层；2、微孔层；101、极板脊下基底层结构；102、极板流道下基底层结构。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
19.一种改善质子交换膜燃料电池传热的气体扩散层，包括基底层1和微孔层2，基底层1一侧间隔分布极板脊下基底层结构101及极板流道下基底层结构102，基底层1另一侧与微孔层2相连；所述极板脊下基底层结构101与极板流道下基底层结构102之间呈平缓过渡。
20.优选地，极板脊下基底层结构101为平面，极板流道下基底层结构102为凸起。
21.优选地，极板脊下基底层结构101的厚度为100～350微米，所述微孔层2的厚度为10～150微米。
22.优选地，凸起截面形状包括但不限定于矩形、梯形、半圆形、椭圆形。
23.优选地，凸起的高度小于等于极板流道下基底层结构102的深度；所述凸起的顶部宽度和底部宽度都小于等于极板流道下基底层结构102的宽度。
24.优选地，基底层1的平均孔隙率约为65-80％。
25.凸起与极板脊下基底层结构102同时支撑极板，从防止过度压缩引起的气体扩散层内孔隙率过小，减缓脊下气体扩散层的积水情况。凸起填充极板流道时，基底层1与极板流道直接接触且基底层1导热性高于空气，从而改善扩散层与极板之间的传热以及质子交换膜燃料电池上的热分布。
26.凸起的外凸结构为圆弧型，也可选择矩形等其他凹陷结构，极板脊下基底层结构101为平面。
27.基底层1为金属泡沫或碳泡沫，从而满足极板流道下填充基底层凸起结构后的传质要求。基底层1不含凸起结构的一侧涂覆有一层疏水处理的微孔层2。
28.如图2所示，基底层1非凸起部分厚度、微孔层厚度、平均孔隙率与图1所示传统扩散层一致。一种改善质子交换膜燃料电池传热的气体扩散层选用多孔金属泡沫为基底层1，各向同性开孔泡沫金属材料的面内和透面导热系数均为10 w m-1 k-1
，极板流道下基底层结构102为凸起，填充整个流道。多孔金属泡沫材料基底层另一侧涂覆有与传统扩散层相同的微孔层2。通过仿真模拟可得采用本发明扩散层与采用传统扩散层的质子交换膜燃料电池的热分布图，图3为采用传统各向异性扩散层的质子交换膜燃料电池的热分布图，传统各向异性扩散层的面内导热系数为20 w m-1 k-1 ，透面导热系数为0.33 w m-1 k-1
。图4为采用本发明扩散层的质子交换膜燃料电池的热分布图。
29.对比可见，本发明可改善质子交换膜燃料电池在工作状态中温度分布的一致性，提高散热能力，提升燃料电池的工作性能。
30.以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。


技术特征：
1.一种改善质子交换膜燃料电池传热的气体扩散层，其特征在于：包括基底层和微孔层，基底层一侧间隔分布极板脊下基底层结构及极板流道下基底层结构，基底层另一侧与微孔层相连；所述极板脊下基底层结构与所述极板流道下基底层结构之间呈平缓过渡。2.根据权利要求1所述的一种改善质子交换膜燃料电池传热的气体扩散层，其特征在于，所述基底层为金属泡沫。3.根据权利要求1所述的一种改善质子交换膜燃料电池传热的气体扩散层，其特征在于，所述极板脊下基底层结构为平面，极板流道下基底层结构为凸起。4.根据权利要求1所述的一种改善质子交换膜燃料电池传热的气体扩散层，其特征在于，所述极板脊下基底层结构的厚度为100～350微米，所述微孔层的厚度为10～150微米。5.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池的气体气体扩散层，其特征在于，所述凸起截面形状为矩形、梯形、半圆形、椭圆形中的一种。6.根据权利要求3所述的一种改善质子交换膜燃料电池传热的气体扩散层，其特征在于，所述凸起的高度小于等于极板流道下基底层结构的深度；所述凸起的顶部宽度和底部宽度都小于等于极板流道下基底层结构的宽度。7.根据权利1所述的一种改善质子交换膜燃料电池传热的气体扩散层，其特征在于，所述基底层的平均孔隙率约为65-80％。

技术总结
本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体提供了一种改善质子交换膜燃料电池传热的气体扩散层，包括基底层和微孔层，基底层一侧间隔分布极板脊下基底层结构及极板流道下基底层结构，基底层另一侧与微孔层相连；所述极板脊下基底层结构与所述极板流道下基底层结构之间呈平缓过渡。本发明通过将具有高热交换率的极板脊下基底层结构及极板流道下基底层结构，填充于极板流道槽，不仅可以保持气路的畅通，还改善了质子交换膜燃料电池内的热量传递，提升燃料电池的性能和寿命。提升燃料电池的性能和寿命。提升燃料电池的性能和寿命。


技术研发人员：明平文 刘峰 唐富民
受保护的技术使用者：南昌智能新能源汽车研究院
技术研发日：2021.10.08
技术公布日：2022/1/14