[发明专利]一种燃料电池气体扩散层结构及其加工方法

说明书

本发明提供了一种燃料电池气体扩散层结构及其加工方法，气体扩散层为靠近双极板一侧的基底层，所述气体扩散层表面设有若干相互交错连通的沟槽织构，若干相互交错连通的沟槽织构中沿流向的所述沟槽织构的横截面面积随流向先渐扩再后渐缩。沿流向的所述沟槽织构两端的横截面面积渐变，沿流向的所述沟槽织构中间的横截面面积保持不变；所述沟槽织构中间的横截面面积为两端的最小横截面面积的1.5～3倍。本发明沟槽织构可使液态水离开阴极，消除电极水淹现象允许适量的水润湿气流，保持膜电极的湿润。

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结构及其加工方法。

背景技术

近几十年，以煤炭、石油为主的传统能源被大量使用，造成严重的环境污染和自然资源的日益枯竭。因此我们急切渴望一种高效节能，具有低污染、低排放的清洁新能源。随着现代技术的日益成熟，人们把研究重心和精力投入到对燃料电池的研究，燃料电池作为一种能量转换装置具有很高的转换效率，被誉为未来理想的电能来源。质子交换膜燃料电池是燃料电池中最常见、应用最多的类型，以工作温度低、功率密度高、启动快、动态响应快等优点，近年来备受关注。

气体扩散层基底材料一般为碳纤维。该材料有利于改善电极的性能，需满足以下要求，包括均匀的多孔质结构、透气性好、导电能力强、结构紧密且表面平整、亲水和疏水性平衡、热稳定行好。这对气体扩散层的制备工艺即传统的热压法提出更大挑战。随着激光精密加工技术越来越获得市场上的认可，利用激光加工技术应用于气体扩散层表面加工，具有精度准、热效应好，易实现的优势，基本可取代传统的热压制备工艺。

气体扩散层位于催化剂层和双极板之间，是PEM燃料电池最为重要的零部件之一。在PEM燃料电池中，催化剂层、气体扩散层和膜电极夹在流场板之间，气体扩散层是膜电极最外层，为电极和双极板提供电接触，将反应物平均分配到催化剂层。气体扩散层有助于在PEM燃料电池中进行水管理，因为气体扩散层可以保留适量的水润湿膜电极，另外气体扩散层有助于生成物水的离开阴极，消除电极水淹现象。

燃料电池在运行过程中，阴极表面会持续不断地生成水，在高功率情况下，生成水的速率越来越快，若生成物水无法及时排出，将会引起水淹现象。导致气体通道堵塞，减少生成物的输送量，降低电池的性能。

现阶段有很多专利考虑到气体扩散层水淹现象。从材料角度：中国专利公开了一种具有疏水性的燃料电池气体扩散层的制备方法提出将基底层材料进行疏水处理，结合配制的微孔层浆料进行热处理，得到具有疏水性的燃料电池气体扩散层。从结构角度：中国专利公开了通过利用掺杂金刚石在气体扩散层表面形成孔隙不易形成水淹，设计一种孔隙依次扩大的方法，使液态水在孔隙中无法形成水膜，提高电池的稳定性。以上专利有助于改善燃料电池气体扩散层水淹现象，但加工工艺过于繁琐，耗时较长，不利于大规模商业化推广。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种燃料电池气体扩散层结构及其加工方法，通过在气体扩散层基底层表面加工沟槽织构，有助于促进水离开阴极以帮助消除电极水淹现象，同时仅允许适量的水接触膜电极来保持膜的湿润。本发明采用激光加工的方法，该方法易于实现，使用寿命长，工作状态稳定，无需改变气体扩散层材料，从改进结构的角度出发，开发了一种具有高效防“水淹”性能的燃料电池气体扩散层。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种燃料电池气体扩散层结构，气体扩散层为靠近双极板一侧的基底层，所述气体扩散层表面设有若干相互交错连通的沟槽织构，沟槽织构可使液态水离开阴极，消除电极水淹现象允许适量的水润湿气流，保持膜电极的湿润。

进一步，所述沟槽织构的宽度D＝50-200μm，所述沟槽织构的深度H＝10-30μm，所述沟槽织构的间距S＝200-700μm。

进一步，若干所述沟槽织构的面积占所述气体扩散层表面积的20％-50％。

进一步，所述沟槽织构的横截面为长方形、梯形或圆弧形。