[发明专利]一种改善质子交换膜燃料电池传热的气体扩散层

说明书

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。

技术领域

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

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 exchangemembrane 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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。

进一步地，基底层的平均孔隙率约为65-80％。

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。

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。

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10~40wt.%，最好为20-30 wt.%。

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。

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。

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。