[发明专利]具有有序微结构的PEMFC气体扩散层及加工方法

说明书

本发明公开了具有有序微结构的PEMFC气体扩散层及加工方法，采用双光子微加工系统使用TRS1材料制作三维结构模板，利用该三维结构模板制作用于微转移塑模技术(PDMS)的模具，在模具上制备聚合物膜，将材料TRS2注射入模具并暴露于紫外线中，最后进行脱模热解。本发明是在光聚合物TRS1满足双光子聚合以及TRS2满足微转移塑模成型的前提下，通过双光子聚合以及微转移塑模技术的组合进行质子交换膜燃料电池气体扩散层有序微结构的制备。本发明以规则多边形为单元无间隙地组成单层结构，单层结构再重复堆叠，利于电子和气体传输的横纵或规则多边形等规则有序的纤维取向，为电子和气体传输提供最优路径，提升质子交换膜燃料电池性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及质子交换膜燃料电池气体扩散层有序微结构及加工方法。

背景技术

随着能源与环境问题的日益严重，清洁能源技术受到了世界各国的关注与重视。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接将化学能转化为电能的发电装置，具有零排放、无污染、效率高、噪声低等优点，在交通领域具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。目前质子交换膜燃料电池性能及寿命还存在很大的提升空间，其中水管理是影响PEMFC性能、成本、耐久性和可靠性的关键问题之一。

气体扩散层(GDL)位于催化剂层(CL)和双极板之间，是PEMFC最为重要的零部件之一。PEMFC在运行过程中，阴极侧发生电化学反应生成液态水，液态水最终经过迁移突破至气体扩散层表面，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，影响气体扩散层内的气体传输，限制反应气体与催化层的接触反应，增加了电堆的活化极化过电位与浓差极化过电位，从而导致燃料电池性能和寿命降低。因此，通过对质子交换膜燃料电池的阴极气体扩散层结构进行优化设计和针对复杂的微结构提出可行的加工方法，是提升燃料电池性能的一个关键手段。

授权公布号为CN100511787C的中国发明专利公开了一种通过优化气体扩散层表面形状，提供具有耐微短路和抗滞水性的气体扩散层，与催化层接触的第一表面反面的气体扩散层第二表面比第一表面粗糙；授权公布号为CN102456891B的中国发明专利公开了一种具有梯度孔结构的气体扩散层，由大孔炭基支撑体和微孔层叠合而成，构成微孔层的组成材料从原理电池流程的大孔炭基支撑体一侧镶嵌到达孔炭基支撑体内，构成过度孔层。以上对于气体扩散层宏观结构优化的方案对燃料电池传质的提升有限且对电导率的改善效果不明显。

授权公布号为CN109301258B的中国发明专利公开了一种燃料电池气体扩散层制备方法，在碳纸的一面涂覆气体扩散层浆料后烧结处理制得，浆料中包括PTFE、碳粉和多孔纳米纤维状镍粉。以上传统的气体扩散层制备方法可以对气体扩散层的纤维排布进行十分有限的处理，无法对气体扩散层的微结构进行调控；通过材料对疏水性的调整对燃料电池性能的提升不大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了质子交换膜燃料电池气体扩散层有序微结构及加工方法，质子交换膜燃料电池气体扩散层有序微结构，利于电子和气体传输的横纵或规则多边形等规则有序的纤维取向，为电子和气体传输提供最优路径，提升质子交换膜燃料电池性能。

一种质子交换膜燃料电池气体扩散层有序立方微结构加工方法，包括如下步骤：

S1、设计气体扩散层的三维结构，

S2、利用双光子微加工技术使用光聚合物TRS1制备三维结构模板；

S3、以S2中生产的三维结构模板为模具，并应用光聚合物TRS2制作燃料电池气体扩散层有序的立方微结构。

进一步，所述气体扩散层的三维结构为有序正立方微结构，每层无间隙的配置正立方体单元，用于强化液态水离开气体扩散层表面及增强电导率，纤维直径6-10μm，气体扩散层孔隙率范围为0.6～0.9；