一种具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道及加工方法

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及了一种具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道及加工方法。

背景技术：

1、随着汽车产业的大力发展，能源成为了需要迫切解决的一个问题，氢燃料电池逐渐兴起并应用于与汽车产业，燃料电池能将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，具有转化效率高、环境友好、可靠性强的特点。

2、燃料电池中的双极板又被叫做集流板，在燃料电池中起到支撑、收集电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。气体扩散层在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用。在电池运行产生电能的过程当中，阴极气体扩散层与双极板界面处易发生“水淹”导致气体通道堵塞，从而影响内部反应的进行，影响极板的寿命。因此对于双极板输运通道进行疏水处理以及促进水通过气体扩散层很重要。

3、现有技术都考虑了双极板的疏水性。现有技术公开了一种疏水性燃料电池双极板和方法，提出了在双极板输运通道内进行激光加工，加工出长方形微凸体，通过改变结构使输运通道的疏水性得到提高。现有技术公开了，一种燃料电池双极板防腐涂层及其制备方法提出了制备了一种防腐涂层，通过新型涂层达到防腐疏水；另外还有一些专利提及了对于气体扩散层的结构改进，现有技术公开了一种具有分级微米槽结构的新型气体扩散层及其制备方法，提出了制造具有分级微米槽结构的气体扩散层，通过在表面穿孔层制造出几微米至数百微米尺寸的成规律分布的脊槽条纹来实现；但现有技术仅仅单一的对极板和气体扩散层进行研究，没有把改变双极板润湿性和在气体扩散层打孔结合起来考虑，达到更好的水气运输调节。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道及加工方法，通过在气体扩散层上加工出穿孔结构，穿孔呈现中间密外围疏的分布，气体能够快速通过扩散层进行反应，生成的水也能够通过穿孔结构快速排入到输运通道内，防止水堵塞在气体扩散层内；其次在双极板表面加工凹坑增加涂层与基体的接触面积来增加涂层的结合力；最后通过在涂层涂覆输运通道内加工出微突织构，微突织构可以增加表面疏水性，进而使液态水快速排出。本发明方法简单，产业适应性强。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道，所述输运通道为双极板与气体扩散层的结合体，所述双极板表面上设有若干间隔分布的输运通道，所述气体扩散层表面设有若干穿孔结构；每一所述穿孔结构位于双极板表面的输运通道上方；所述双极板表面设有涂层，位于输运通道内的涂层表面具有微突织构。

4、进一步，根据相邻穿孔结构的间距将气体扩散层表面划分为密集区域a、次密集区域b和稀疏区域c，所述密集区域a位于气体扩散层中心，所述稀疏区域c位于气体扩散层周边，所述次密集区域b位于密集区域a与稀疏区域c之间；密集区域a中相邻穿孔结构的间距小于次密集区域b中相邻穿孔结构的间距，次密集区域b中相邻穿孔结构的间距小于稀疏区域c中相邻穿孔结构的间距。

5、进一步，位于密集区域a的相邻穿孔结构之间的间距为s1＝10-200μm；位于次密集区域b的相邻穿孔结构之间的间距为s2＝200-400μm；位于稀疏区域c的相邻穿孔结构之间的间距为s3＝400-550μm；若干所述穿孔结构的面积占气体扩散层总面积的5％-40％。

6、进一步，所述穿孔结构的直径d＝20-120μm，所述穿孔结构的深度h＝180-300μm。

7、进一步，所述双极板表面设有若干凹坑，用于增加涂层粘接性能。

8、进一步，所述凹坑直径d0＝10-50μm，所述凹坑深度h0＝50-200μm，相邻所述凹坑间距s0＝40-500μm；若干所述凹坑面积占双极板表面总面积的40％-80％。

9、进一步，所述微突织构的高度ha＝25μm-75μm，所述微突织构的直径da＝70-150μm，相邻所述微突织构的间距sa＝150-350μm。

10、一种具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道的加工方法，包括如下步骤：

11、通过激光在气体扩散层表面加工穿孔结构；

12、通过激光在双极板表面加工凹坑，在双极板表面喷涂涂层；

13、通过激光在位于输运通道内的涂层表面加工微突织构。

14、进一步，所述激光参数为：发散角小于8mrad，光斑直径不大于7mm，波长为1064nm，功率为10～500w，单脉冲能量为1～200m j，脉宽为1～110ps，重复频率为0～100k hz；扫描速度为：50-2000mm/s。

15、进一步，所述喷涂工艺参数为：喷涂距离为90-120mm，工作电流为500-650a，工作电压为50-80v，ar气速度为30-60升/min，送粉量为38-47g/min，冷却气压力为0.3-0.6mpa，喷枪移动速度：30-80mm/s。

16、本发明的有益效果在于：

17、1.本发明所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道及加工方法，穿孔结构可以促进气体以及反应生成的水快速的通过气体扩散层，防止气体扩散层内水的堆积导致气体不能进入到内部进行反应。

18、2.本发明所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道及加工方法，穿孔织构呈现出中间密外围疏的分布，符合内部中心区域反应剧烈，边缘反应平缓的特点。

19、3.本发明所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道及加工方法，通过微突织构，可以增加表面疏水性，进而使液态水快速离开输运通道。

20、4.本发明所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道及加工方法，在双极板表面加工凹坑织构，凹坑的存在可以大大增加涂层与基体的接触面积，提高涂层与极板的结合力，防止涂层的脱落。

21、5.本发明所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道及加工方法，凹坑，微突织构、穿孔三重织构协同作用，提高了输运通道的疏水性，扩散层气体的通过性以及水的排出，达到更好的水气运输。

技术特征：

1.一种具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道，所述输运通道为双极板(1)与气体扩散层(4)的结合体，所述双极板(1)表面上设有若干间隔分布的输运通道(7)，其特征在于，所述气体扩散层(4)表面设有若干穿孔结构(5)；每一所述穿孔结构(5)位于双极板(1)表面的输运通道(7)上方；所述双极板(1)表面设有涂层(2)，位于输运通道(7)内的涂层(2)表面具有微突织构(3)。

2.根据权利要求1所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道道，其特征在于，根据相邻穿孔结构(5)的间距将气体扩散层(4)表面划分为密集区域a、次密集区域b和稀疏区域c，所述密集区域a位于气体扩散层(4)中心，所述稀疏区域c位于气体扩散层(4)周边，所述次密集区域b位于密集区域a与稀疏区域c之间；密集区域a中相邻穿孔结构(5)的间距小于次密集区域b中相邻穿孔结构(5)的间距，次密集区域b中相邻穿孔结构(5)的间距小于稀疏区域c中相邻穿孔结构(5)的间距。

3.根据权利要求2所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道，其特征在于，位于密集区域a的相邻穿孔结构(5)之间的间距为s1＝10-200μm；位于次密集区域b的相邻穿孔结构(5)之间的间距为s2＝200-400μm；位于稀疏区域c的相邻穿孔结构(5)之间的间距为s3＝400-550μm；若干所述穿孔结构(5)的面积占气体扩散层(4)总面积的5％-40％。

4.根据权利要求2所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道，其特征在于，所述穿孔结构(5)的直径d＝20-120μm，所述穿孔结构(5)的深度h＝180-300μm。

5.根据权利要求1所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道，其特征在于，所述双极板(1)表面设有若干凹坑(6)，用于增加涂层粘接性能。

6.根据权利要求5所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道，其特征在于，所述凹坑(6)直径d0＝10-50μm，所述凹坑(6)深度h0＝50-200μm，相邻所述凹坑(6)间距s0＝40-500μm；若干所述凹坑(6)面积占双极板(1)表面总面积的40％-80％。

7.根据权利要求1所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道，其特征在于，所述微突织构(3)的高度ha＝25μm-75μm，所述微突织构(3)的直径da＝70-150μm，相邻所述微突织构(3)的间距sa＝150-350μm。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道的加工方法，其特征在于，所述激光参数为：发散角小于8mrad，光斑直径不大于7mm，波长为1064nm，功率为10～500w，单脉冲能量为1～200m j，脉宽为1～110ps，重复频率为0～100k hz；扫描速度为：50-2000mm/s。

10.根据权利要求8所述的具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道的加工方法，其特征在于，所述喷涂工艺参数为：喷涂距离为90-120mm，工作电流为500-650a，工作电压为50-80v，ar气速度为30-60升/min，送粉量为38-47g/min，冷却气压力为0.3-0.6mpa，喷枪移动速度：30-80mm/s。

技术总结
本发明提供了一种具有多重织构耦合的质子交换膜燃料电池输运通道及加工方法，所述输运通道为双极板与气体扩散层的结合体，所述双极板表面上设有若干间隔分布的输运通道，所述气体扩散层表面设有若干穿孔结构；每一所述穿孔结构位于双极板表面的输运通道上方；所述双极板表面设有涂层，位于输运通道内的涂层表面具有微突织构。本发明通过在气体扩散层上加工出穿孔结构，穿孔呈现中间密外围疏的分布，气体能够快速通过扩散层进行反应，生成的水也能够通过穿孔结构快速排入到输运通道内，同时输运通道内的微突织构可以增加表面疏水性，进而使液态水快速排出。

技术研发人员：李磊,解玄,刘彦,华希俊,陈鑫,王昌国
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13