[发明专利]一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板及方法

说明书

本发明公开了一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板及方法。本发明采用改性后具有亲水性的双极板，并且在流道的两侧形成密度梯度渐大的毛细凹槽；当燃料电池工作时，电化学反应生成的水积累在扩散层中，燃料电池双极板的表面具有亲水性，将水吸入燃料电池双极板中，引入流道；同时垂直的毛细凹槽通过毛细力，进一步将水吸入流道，毛细凹槽通过毛细力增强燃料电池双极板的亲水性，并且毛细凹槽密度沿流道方向的梯度变大，亲水性梯度增强，对反应生成的水形成引流，增强排水性，最终积累在流道中的水会被通入的氧气顺着流道排出，形成定向引流并且定向排水，提高排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板及其制备方法。

背景技术

近年来，燃料电池技术趋于成熟，其中氢氧燃料电池已成为氢能利用的主要形式之一。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)是一种将储存于氢气和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。它不经热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化率高，环境友好，几乎不排放氮和硫的氧化物，对解决能源危机和环境污染这两大难题具有重要价值，并已在新能源汽车、便捷式电源、区域性电站和航空航天等领域应用，发展前景广阔。

如图1所示为一种质子交换膜燃料电池，主要由质子交换膜C、两侧的双极板B、两侧电极组成，其中质子交换膜两侧分别是阳极催化层D和阴极催化层E，从而构成膜电极。在阳极侧，氢气H₂通过双极板的沟槽扩散到催化层，在催化剂作用下分解成H⁺和e^-。H⁺通过质子交换膜向阴极扩散，e^-则通过外电路流向正极。在阴极侧，H⁺和O₂以及从外电路F来的e^-相遇发生反应而生成水。流道引导反应气体的流动方向，确保反应气体均匀分配到电极的各处，经电极扩散层A到达催化层参与电化学反应。

然而质子交换膜燃料电池却也存在许多未攻克的问题，如水管理问题。水是影响质子交换膜燃料电池性能的一个重要因素，其在质子交换膜上的分布特性很大程度上可以决定PEMFC的效率，若反应生成在扩散层中的水没能及时排除的话，会在扩散层形成水膜，就会导致反应气体难于接近催化剂，产生“电极水淹”现象，如图2所示，反应产生的水会积累在扩散层A，形成水膜G，使得反应气体难以接近催化剂，增大扩散层到达催化层的传质阻力而降低输出功率，还会使得膜局部溶胀等问题，这些都直接影响着电池的寿命，降低电池性能。而通过恰当的水管理能有效提高电池性能。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，结合猪笼草的仿生学启示，本发明提出了一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板及其制备方法，通过物理手段对改性后亲水的双极板的脊刻蚀凹槽产生毛细力，从而将电化学反应产生在扩散层的水定向吸到流道中，达到定向输水效果；通过刻蚀梯度渐变的毛细凹槽，这样能够得到梯度渐变的亲水表面，从而实现达到定向引流作用；后通过反应物氧气将水沿着流道排出，达到排水的效果，提高水管理效率，从而改善电池性能，增加电池的寿命。

本发明的一个目的在于提出一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板。