高效能的质子交换膜燃料电池多孔输运层的制作方法

本发明属于电化学燃料电池领域，具体涉及一种高效能的质子交换膜燃料电池多孔输运层。

背景技术：

燃料电池作为一种清洁、高效、功率密度大的能源转换装置，被认为是下一代动力机械的理想驱动装置。电池以氢气为燃料，生成物为水，可以在很大程度上缓解空气污染问题。并且氢能可以通过多种途径转换获得，是一种理想的能量储存介质。因此，燃料电池技术的推广对于世界能源多方位发展，储备也是极为重要。

燃料电池中的质子交换膜必须保持一定的水含量才能保持其高性能，常见的燃料电池内部水分布研究大多将燃料电池分为膜电极和流道两部分，其中膜电极又包括：气体扩散层、微孔层、催化层和质子交换膜。质子交换膜燃料电池水仅在阴极产生，在高电流密度下极有可能发生“水淹”现象，这样就会降低燃料电池性能。因此，对燃料电池内部结构优化设计是提升燃料电池性能及寿命的一个关键因素。

2002年，第一代燃料电池电堆问市，体积功率密度是1kwl^-1。经过对流场极板的材料结构优化，第二代电堆体积功率密度达到1.5kwl^-1。接下来，通过优化电极厚度，2014年的第三代电堆体积功率密度达到3kwl^-1。随着电堆体积功率密度的不断上升，对于燃料电池的气体扩散层、微孔层等要求也在不断提升，需要更高效的传热传质技术，更智能化的(电池内部)水管理。因此，优化燃料电池的膜电极对于进一步提升电堆体积功率密度极为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是，提出一种高效能的质子交换膜燃料电池多孔输运层装置，进而有效增强燃料电池内的气体输运以及液态水输运的效能。

高效能的质子交换膜燃料电池多孔输运层装置的技术方案是，燃料电池阴极的气体扩散层与无裂痕微孔层叠加在一起制成多孔输运层。选择孔隙率为60～65％的碳纸作为气体扩散层，无裂痕微孔层的孔隙率为50～55％，由直径为20～40纳米的碳颗粒制成。

质子交换膜燃料电池的结构是，质子交换膜设在阴极极板和阳极极板之间，即通过质子交换膜将阴、阳极隔开，同时阴、阳极板分别设有阴极流道和阳极流道。在质子交换膜与阴、阳极板之间对应设有催化层、微孔层、和气体扩散层。由于质子交换膜燃料电池水仅在阴极产生，所以本发明将燃料电池阴极的气体扩散层与无裂痕微孔层叠加在一起制成多孔输运层，并进行特定的微观结构优化以有利于水的传输。

在多孔输运层上每间隔1毫米打一个贯穿孔，制成贯穿孔分布均匀的多孔层，方便用于排水。在此前装配有裂痕微孔层的多孔输运层中，部分液态水被留在电极内，部分液态水通过裂痕流入扩散层中，占据了部分气体传输的路径，这是目前大多数燃料电池所采用的方案，但是由于裂痕的生成无法人为控制，所以液态水在电极内和微孔层中的分布仍然不均，且不均匀分布的裂痕会导致整个多孔输运层内应力不均匀，会产生耐久问题。本发明多孔输运层内包含有孔隙率50～55％的无裂痕微孔层，为将部分液态水封锁在电极内，起润湿膜，保证质子传导率的作用。多余的液态水可以快速通过贯穿孔被排出多空输运层，并且不会影响其余孔隙内气体的传输。

本发明的特点及产生的有益效果是：提出的优化设计可以在液态水排出阴极过程中，精准控制液态水在多孔输运层中传输路径，液态水只会沿多孔输运层中的宏观直孔输运，缩短了液态水排出的路径保证液态水不会浸入多孔输运层中的微孔，从而不会影响反应气体的输运，因此同时确保了反应气体和液态水的高效传输。规律化的结构设计相比于目前无规则的裂缝结构，可以缓解多孔输运层内的应力疲劳，提升耐久性。

附图说明

图1为多孔输运层结构简图。

图2为带有贯穿孔的多孔输运层加工尺寸图。

图3通过数值模拟方法获得的多孔输运层与原来传输层液态水流通状态的对比。

图4为本发明与原来传输层在液态水输运下供气体传输孔隙对比曲线图。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的结构做进一步的说明。

高效能的质子交换膜燃料电池多孔输运层，其结构是：燃料电池阴极的气体扩散层1与无裂痕微孔层2叠加在一起制成多孔输运层，选择孔隙率为60～65％的碳纸作为气体扩散层，无裂痕微孔层的孔隙率为50～55％，由直径为20～40纳米的碳颗粒制成。

在多孔输运层平面的流道沟3下纵横均匀间隔1毫米加工有贯穿孔，贯穿孔直径为10-12微米。

作为实施例，在孔隙率为60％的碳纸扩散层上覆盖孔隙率为50％无裂痕的微孔层，制成多孔输运层，在多孔输运层上利用激光打孔技术在流道沟下每隔1毫米打一个贯穿孔，孔直径为10微米，制成具有均有贯穿孔的多孔输运层。

为了测试多孔输运层的效果，与现有技术结构进行液态水输运对比，实验结果的验证如图3所示。这是利用数值模拟方法获得的多孔输运层与原来传输层液态水流通状态的对比图，图中显示了不同传输时间间隔(微秒)下，液态水的状态。

可以看出，在传输层为仅含碳纸的结构中(图中第一排)，大量水浸入空隙中占据了气体输运的路径，会产生额外的气体输运阻力。在传输层为碳纸加无裂痕微孔层的结构中(图中第二排)，由于无裂痕微孔层内极大的毛细力，阻挡了液态水浸入微孔层，气体在微孔层中的传输不受影响，但是过多的液态水囤积在电极内会造成电极内部的水淹，导致催化剂无法正常工作，影响电池性能。在传输层为碳纸加有裂痕微孔层的结构中(图中第三排)，部分液态水沿裂痕浸入微孔层，碳纸中轻微水淹。在本发明提出的多孔输运层中(图中第四排)，部分液态水受局部毛细力作用被封锁在电极内，起润湿膜，保证质子传导率的作用，多余的液态水可以快速通过贯穿孔被排出多空输运层。因为贯穿孔处的局部毛细力远小于微孔层别处纳米尺度的微孔，所以液态水只通过贯穿孔传输，并不会影响其余孔隙内气体的传输，实现了多孔输运层内气液的分割传输。

图4展示了多孔输运层和目前常用的结构在液态水输运上的对比，可以看出新型多孔输运层可以最快且有序地将液态水排出多孔输运层中，并且由于贯穿孔内较小地局部毛细力，液态水只会沿着贯穿孔传输，并不会影响反应气体的输运。多孔输运层在液态水传输稳定后，干燥孔隙比例沿厚度方向分布如图4所示，在液态水可以正常排出的工况下，多孔输运层可以在内部保留最大比例的干燥孔隙，用来保障反应气体的正常输运，因而传质阻力最低。

技术特征：

1.高效能的质子交换膜燃料电池多孔输运层，其特征是：燃料电池阴极的气体扩散层(1)与无裂痕微孔层(2)叠加在一起制成多孔输运层，选择孔隙率为60～65％的碳纸作为气体扩散层，无裂痕微孔层的孔隙率为50～55％，由直径为20～40纳米的碳颗粒制成。

2.按照权利要求1所述的高效能的质子交换膜燃料电池多孔输运层，其特征是：在所述多孔输运层平面的流道沟(3)下纵横均匀间隔1毫米加工贯穿孔，贯穿孔直径为10-12微米。

技术总结
本发明提出了一种高效能的质子交换膜燃料电池多孔输运层，其技术方案是，燃料电池阴极的气体扩散层与无裂痕微孔层叠加在一起制成多孔输运层。选择孔隙率为60～65％的碳纸作为气体扩散层，无裂痕微孔层的孔隙率为50～55％，由直径为20～40纳米的碳颗粒制成。在多孔输运层平面的流道沟下纵横均匀间隔1毫米加工有贯穿孔。该结构可以分离液态水与反应气体：液态水通过贯穿微孔输运，反应气体通过多孔输运层的孔隙运输。可以在加快多孔输运层水的排除速度同时保持膜的导电率，同时减小气体的传输阻力。由于贯穿孔地均匀排布，缓解了多孔输运层应力不均匀导致的疲劳问题。

技术研发人员：杜青;侯昱泽;李兴;焦魁
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2020.04.23
技术公布日：2020.08.07