一种超疏冷凝水表面及其制备方法、电池极板和燃料电池与流程

1.本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种超疏冷凝水表面及其制备方法、电池极板和燃料电池。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(pemfc)具有清洁无污染、噪音低、效率高、启动快速以及低温环境适应性良好等特点，可广泛应用于交通、能源等领域。双极板是燃料电池的核心部件之一，具有共用通道、阴极流场、阳极流场和冷却流场等结构，主要功能包括均匀分配燃料电池内部反应气体、移除反应水、导电导热以及提供机械支撑等。
3.图1a为燃料电池流场水淹示意图，在高电流密度的运行条件下，燃料电池阴极侧会因电化学反应及电渗拖拽效应产生大量的水，从而造成双极板阴极流场内液态水的积聚，严重时会导致水淹，进而阻碍反应气体的有效传输和扩散，导致燃料电池性能的衰减和内部组件的损伤。因此，在燃料电池应用中通常会对双极板流场进行疏水处理。
4.在实现本说明书实施例的过程中，发明人发现：
5.由于质子交换膜燃料电池常常在高温下运行，在催化层容易产生大量的气态水，而催化层和双极板之间存在较大的温差，水气在双极板流场降温容易形成冷凝水。另外，为了充分润湿质子交换膜，通常会对反应气体进行加湿，进一步加剧了流场中的冷凝效应。图1b示出了现有技术中超疏水表面在冷凝环境下失效示意图，燃料电池在运行时，冷凝水会浸润双极板的疏水或超疏水表面的微缺陷和微纳结构，导致疏水表面的失效，引发液态水在流场内部的积聚，从而造成水淹现象，阻碍水和反应气体的传输和扩散，降低燃料电池的功率密度和寿命。


技术实现要素：

6.本发明提供一种超疏冷凝水表面及其制备方法、电池极板和燃料电池，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。
7.根据本说明书实施例的第一方面，提供了一种超疏冷凝水表面的制备方法，包括：
8.在真空腔体中设置有燃料电池极板以及石墨靶材，其中，所述燃料电池极板设置在所述石墨靶材的上方；
9.将所述真空腔体的气压值降低至10-3
pa至3
×
10-4
pa后，充入氩气；
10.向所述石墨靶材发射脉冲激光束轰击所述石墨靶材，以产生石墨等离子体，其中，所述脉冲激光束的每个脉冲具有800fs至12ps的脉宽，且所述脉冲激光束的直径为120um；
11.所述石墨等离子体与充入的氩气碰撞并在所述燃料电池极板上沉积，形成由纳米级石墨颗粒组成的多孔石墨薄膜层；
12.利用气相沉积方法在所述多孔石墨薄膜层上形成硅烷疏水涂层，以得到超疏冷凝水表面。
13.可选的，所述利用气相沉积方法在所述多孔石墨薄膜层上形成硅烷疏水涂层，具
体包括：
14.将沉积有所述多孔石墨薄膜层的燃料电池极板放至另一容器中，并在所述容器中滴入氟硅烷，然后对所述容器进行抽真空，最后在温度为预设温度的烘箱里放置预设时间，使所述氟硅烷通过气相沉积方法沉积在所述多孔石墨薄膜层上，以形成硅烷疏水涂层。
15.可选的，所述石墨颗粒为纳米颗粒，所述纳米颗粒的纳米结构尺度为100nm。
16.可选的，所述多孔石墨薄膜层的厚度为1um至5um。
17.可选的，向所述真空腔体内充入的氩气的气压为10pa至50pa。
18.可选的，所述向所述石墨靶材发射脉冲激光束轰击所述石墨靶材，在所述燃料电池极板上沉积石墨等离子体，还包括：所述激光束的平均输出功率为50w至200w，脉冲频率为100khz至1000khz，靶基距为25mm至50mm，沉积时间为5分钟。
19.根据本说明书实施例的第二方面，提供了一种超疏冷凝水表面，所述超疏冷凝水表面采用如第一方面中任一技术方案所述的超疏冷凝水表面的制备方法制备而成，包括：沉积在燃料电池双极板上的多孔石墨薄膜层以及设置在所述多孔石墨薄膜层上的硅烷疏水涂层。
20.根据本说明书实施例的第三方面，提供了一种燃料电池极板，所述燃料电池极板上设有采用如第二方面所述的超疏冷凝水表面。
21.根据本说明书实施例的第四方面，提供了一种燃料电池，包括如第三方面所述的燃料电池极板。
22.本说明书实施例通过脉冲激光束轰击设置在真空腔体中的石墨靶材，石墨靶材气化扩散，与真空腔体的氩气的碰撞减速，最终沉积在设置在石墨靶材上方的燃料电池基板的流场结构上，形成了由纳米级的石墨颗粒组成的多孔石墨薄膜层，该多孔石墨薄膜层的纳米级的多孔结构结合通过气相沉积方法得到的硅烷疏水涂层，一方面纳米级的多孔结构更容易形成超疏冷凝水表面，更能有效的针对本身就较小的冷凝水进行疏水，另一方面，纳米级的多孔石墨结构再结合硅烷疏水涂层所得的表面对于水滴的拉普拉斯力不大于毛细力，从而使得冷凝水难以浸润，实现对冷凝水的超疏。将该方法制备的表面引入到燃料电池双极板的流场设计和制备当中，能够让燃料电池双极板流场在低运行温度、高加湿和高电流密度的工作条件仍然可以维持有效的排水性能，避免水淹现象。
23.与现有技术相比，本说明书实施例的发明点至少包括：
24.1、通过脉冲激光束轰击设置在真空腔体中的石墨靶材，制备由石墨纳米颗粒组成的多孔石墨薄膜层，使石墨靶材气化扩散与真空腔体充入的氩气的碰撞减速，形成由纳米级的石墨颗粒组成的多孔石墨薄膜层，并通过气相沉积的方法在该薄膜层上形成硅烷疏水涂层，气相沉积方法得到的硅烷疏水涂层能更全面的覆盖在具有纳米多孔结构的多孔石墨薄膜层上，获得超疏冷凝水表面，该表面的拉普拉斯力和毛细力更容易达到平衡，冷凝水不会浸润表面微缺陷和微结构，从而使极板流场表面不会因为冷凝水的存在导致疏水失效，多孔石墨薄膜层和硅烷疏水涂层的结合是本发明实施例的发明点之一。
25.2、通过脉冲激光束轰击设置在真空腔体中的石墨靶材，使石墨靶材气化扩散与真空腔体充入的氩气的碰撞减速，并设置脉冲激光束的每个脉冲具有800fs至12ps的脉宽，且所述脉冲激光束的直径为120um，气化后的石墨等离子体最终沉积在设置在石墨靶材上方的燃料电池基板的流场结构上，形成了由纳米级的石墨颗粒组成的多孔石墨薄膜层，进一
步的充入的氩气的气压为10pa至50pa，此气压可保证多孔石墨薄膜层的孔隙率和石墨颗粒的平均粒径在一个合适的区间，比如，孔隙率为30％至80％，石墨颗粒的平均尺寸为1um至20um，以保证形成的多孔结构更有利于拉普拉斯力和毛细力的平衡，是本发明实施例的发明点之一。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1a为燃料电池流场水淹示意图；
28.图1b为现有技术中超疏水表面在冷凝环境下失效现象示意图；
29.图2为本发明一个实施例的超疏冷凝水表面的制备方法流程图；
30.图3a为本发明一个实施例的真空腔体、燃料电池极板和石墨靶材的连接示意图；
31.图3b为本发明一个实施例的利用气相沉积方法在多孔石墨薄膜层上形成硅烷疏水涂层的过程示意图；
32.图4a为本发明一个实施例的所述超疏冷凝水表面的超疏水性能示意图；
33.图4b为本发明一个实施例的所述超疏冷凝水表面对300um尺度的冷凝水滴的超疏水示意图；
34.图4c为本发明一个实施例的所述超疏冷凝水表面对200um尺度的冷凝水滴的超疏水示意图；
35.图4d为本发明一个实施例的冷凝水自移除的过程示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.需要说明的是，本说明书实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.本说明书实施例公开了一种超疏冷凝水表面及其制备方法、电池极板和燃料电池。以下分别进行详细说明。
39.图2为本发明一个实施例的超疏冷凝水表面的制备方法流程图；如图2所示，该制备方法包括以下步骤：
40.s210，在真空腔体中设置有燃料电池极板以及石墨靶材，其中，所述燃料电池极板设置在所述石墨靶材的上方；
41.s220，将所述真空腔体的气压值降低至10-3
pa至3
×
10-4
pa后，充入氩气；在一种实
现方式中，将真空腔体的气压值降低至预设气压值再充入惰性气体氩气，氩气更稳定，更有利于以下多孔石墨薄膜层的形成。
42.s230，向所述石墨靶材发射脉冲激光束轰击所述石墨靶材，以产生石墨等离子体，其中，所述脉冲激光束的每个脉冲具有800fs至12ps的脉宽，且所述脉冲激光束的直径为120um；
43.脉冲激光束的每个脉冲的脉宽越小，得到的多孔石墨薄膜层的多孔结构的孔越小，越有利于应对燃料电池运行环境下的冷凝水。
44.s240，所述石墨等离子体与充入的氩气碰撞并在所述燃料电池极板上沉积，形成由纳米级石墨颗粒组成的多孔石墨薄膜层；
45.s250，利用气相沉积方法在所述多孔石墨薄膜层上形成硅烷疏水涂层，以得到超疏冷凝水表面。
46.图3a为本发明一个实施例的真空腔体、燃料电池极板和石墨靶材的连接示意图。如图3a所示，将燃料电池极板设置在真空腔体的顶部，将石墨靶材设置在燃料电池极板下方，向石墨靶材发射脉冲激光束，利用超快脉冲激光沉积技术，在燃料电池极板的流场表面形成多孔石墨薄膜层。
47.图3b为本发明一个实施例的利用气相沉积方法在所述多孔石墨薄膜层上形成硅烷疏水涂层的过程示意图。如图3b所示，通过气相沉积，在多孔石墨薄膜层上形成硅烷疏水涂层，该硅烷疏水涂层使得多孔薄膜层的表面浸润特征由超亲水变为超疏水。
48.上述实施例的超疏冷凝水表面的制备方法通过脉冲激光束轰击设置在真空腔体中的石墨靶材，石墨靶材气化扩散，与真空腔体的氩气的碰撞减速，最终沉积在设置在石墨靶材上方的燃料电池基板的流场结构上，形成了由纳米级的石墨颗粒组成的多孔石墨薄膜层，该多孔石墨薄膜层的纳米级的多孔结构结合通过气相沉积方法得到的硅烷疏水涂层，一方面纳米级的多孔结构更容易形成超疏冷凝水表面，更能有效的针对本身就较小的冷凝水进行疏水，另一方面，纳米级的多孔石墨结构再结合硅烷疏水涂层所得的表面对于水滴的拉普拉斯力不大于毛细力，从而使得冷凝水难以浸润，实现对冷凝水的超疏。将该方法制备的表面引入到燃料电池双极板的流场设计和制备当中，能够让燃料电池双极板流场在低运行温度、高加湿和高电流密度的工作条件仍然可以维持有效的排水性能，避免水淹现象。
49.一种实现方式中，所述利用气相沉积方法在所述多孔石墨薄膜层上形成硅烷疏水涂层，具体包括：
50.将沉积有所述多孔石墨薄膜层的燃料电池极板放至另一容器中，并在所述容器中滴入氟硅烷，然后对所述容器进行抽真空，使所述氟硅烷通过气相沉积方法沉积在所述多孔石墨薄膜层上，最后在温度为预设温度的烘箱里放置预设时间，以形成硅烷疏水涂层。
51.一种实现方式中，所述石墨颗粒为纳米颗粒，所述纳米颗粒的纳米结构尺度为100nm。
52.一种实现方式中，所述多孔石墨薄膜层的厚度为1um至5um。
53.一种实现方式中，向所述真空腔体内充入的氩气的气压为10pa至50pa，以保证多孔薄膜层的孔隙率和石墨颗粒的平均粒径满足拉普拉斯力不大于毛细力的需求，优选的孔隙率为30％至80％，颗粒的平均尺寸为1um至20um。
54.通过脉冲激光束轰击设置在真空腔体中的石墨靶材，使石墨靶材气化扩散与真空
腔体充入的氩气的碰撞减速，并设置脉冲激光束的每个脉冲具有800fs至12ps的脉宽，且所述脉冲激光束的直径为120um，气化后的石墨等离子体最终沉积在设置在石墨靶材上方的燃料电池基板的流场结构上，形成了由纳米级的石墨颗粒组成的多孔石墨薄膜层，进一步的充入的氩气的气压为10pa至50pa，此气压可保证多孔石墨薄膜层的孔隙率和石墨颗粒的平均粒径在一个合适的区间，比如，孔隙率为30％至80％，石墨颗粒的平均尺寸为1um至20um，以保证形成的多孔结构更有利于拉普拉斯力和毛细力的平衡。
55.一种实现方式中，所述向所述石墨靶材发射脉冲激光束轰击所述石墨靶材，在所述燃料电池极板上沉积石墨等离子体，还包括：所述激光束的平均输出功率为50w至200w，脉冲频率为100khz至1000khz，靶基距为25mm至50mm，沉积时间为5分钟。
56.在本说明书另一实施例中，还提供了一种超疏冷凝水表面，所述超疏冷凝水表面采用如上述任一方法实施例中所述的超疏冷凝水表面的制备方法制备而成，该超疏冷凝水表面包括：沉积在燃料电池双极板上的多孔石墨薄膜层以及设置在所述多孔石墨薄膜层上的硅烷疏水涂层。
57.多孔薄膜层由粒径为百纳米级别纳米颗粒组成，纳米结构尺度为100nm左右，为较优的超疏冷凝水表面的结构参数。多孔薄膜层的厚度为1-5微米。图4a为本发明一个实施例的所述超疏冷凝水表面的超疏水性能示意图，图4d为本发明一个实施例的冷凝水自移除的过程示意图，如图4a所示，经过疏水处理后的多孔薄膜层表面具备优越的超疏水性能，5ul(或3ul)的水滴接触角大于150
°
而滚动角小于3
°
。图4b为本发明一个实施例的所述超疏冷凝水表面对300um尺度的冷凝水滴的超疏水示意图，图4c为本发明一个实施例的所述超疏冷凝水表面对200um尺度的冷凝水滴的超疏水示意图，图4d为本发明一个实施例的冷凝水自移除的过程示意图，如图4d所示，两个微米级水滴在合并的过程中，水滴之间的液桥撞击表面发生水滴弹跳现象，并在2.23毫秒的时间内完成水滴从表面的自移除。如图4b、图4c和图4d所示，该表面可对微米尺度的冷凝水滴超疏，而且冷凝水可通过合并，将表面能转化为动能，引发冷凝水滴从表面自移除，从而解决冷凝水导致双极板阴极流场表面疏水失效的问题。
58.在本说明书另一实施例中，还提供了一种燃料电池极板，所述燃料电池极板上设有采用如上述实施例所述的超疏冷凝水表面。
59.在本说明书另一实施例中，还提供了一种燃料电池，包括如上面实施例所述的燃料电池极板。
60.本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
61.本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
62.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。