[發(fā)明專利]異型燃料電池氣體擴散層、制備方法、燃料電池及裝配方法

有效

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• 申請日: 2020-08-17
• 公開（公告）號: CN111799475B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 金守一;趙子亮;盛夏;潘興龍;丁磊;許德超;劉穎;趙洪輝
• 申請（專利權(quán)）人: 中國第一汽車股份有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/1006;H01M8/1007
• 代理公司: 北京遠智匯知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11659
• 代理人: 王巖

本發(fā)明公開了一種異型燃料電池氣體擴散層、制備方法、燃料電池及裝配方法。所述異型燃料電池氣體擴散層包括依次層疊的碳纖維基材層和微孔層，所述碳纖維基材層的至少一側(cè)具有連續(xù)且交替排布的凸部和凹部，使該側(cè)面呈凸凹異型結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的異型燃料電池氣體擴散層具有凸凹異型結(jié)構(gòu)，使得氣體擴散層與雙極板裝配時，可以通過擴散層的凸部與雙極板的脊部接觸而凹部與流道區(qū)域?qū)?yīng)的方式，避免二者裝配過程中氣體擴散層壓入到雙極板的流道內(nèi)而導(dǎo)致氣體擴散性能和排水性能降低。同時，在二者裝配的壓縮過程凸部逐漸減薄至與凹部區(qū)域氣體擴散層相同厚度，避免氣體擴散層在脊和溝過渡區(qū)域受到剪切應(yīng)力而破裂。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種異型燃料電池氣體擴散層、制備方法、燃料電池及裝配方法。

背景技術(shù)

氣體擴散層是一種多孔碳基材料，位于燃料電池催化層與雙極板之間，控制著燃料電池的質(zhì)量傳輸、熱量傳輸和電子傳輸。同時，它為催化層和膜在組裝和運行過程提供機械保護和支撐。氣體擴散層一般由碳纖維基材層和微孔層組成。目前，使用的氣體擴散層均為厚度一致的平板結(jié)構(gòu)，在燃料電池裝配完成后，雙極板脊部相對應(yīng)區(qū)域的氣體擴散層在壓力的作用下發(fā)生減薄變形，導(dǎo)致與雙極板流道區(qū)域相對應(yīng)的氣體擴散層被壓入到流道內(nèi)部(如圖1所示)，減少流道區(qū)域內(nèi)部空間，導(dǎo)致反應(yīng)氣體傳輸?shù)酱呋瘜颖砻娴淖枇υ龃螅剂想姵貪獠钸^電勢增加。由于氣體流通性能較差導(dǎo)致燃料電池排水性能變差，易造成水淹現(xiàn)象。氣體擴散層與雙極板脊部的接觸區(qū)域，易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致氣體擴散層破裂。另外，目前的氣體擴散層與雙極板裝配之后，與雙極板脊部接觸的氣體擴散層壓縮后孔隙急劇減小，易形成“死區(qū)”，該區(qū)域氣體流通性差，導(dǎo)致催化層表面反應(yīng)氣體濃度不均勻，影響電堆性能和壽命。

現(xiàn)有技術(shù)在氣體擴散層的種類和結(jié)構(gòu)上進行了多種改進，以提升氣體擴散層應(yīng)用于燃料電池的性能。如CN103427099B中公布的帶有石墨薄片填充的陽極氣體擴散層，通過調(diào)節(jié)陽極和陰極氣體擴散層內(nèi)的擴散阻力來調(diào)節(jié)燃料電池內(nèi)部的水管理特性，該氣體擴散層的碳纖維襯底直接與雙極板接觸，其與雙極板的接觸電阻較大，且該氣體擴散層為平板結(jié)構(gòu)，無法消除氣體擴散層壓入雙極板流道問題。CN110190295A中的氣體擴散層包括：導(dǎo)電多孔基材層、疏水低濕適應(yīng)層和微孔低壓適應(yīng)層，并通過涂覆和熱處理制備氣體擴散層，該氣體擴散層為平板結(jié)構(gòu)，無法消除氣體擴散層進入流道所造成的性能下降的問題。CN102082277A中利用高溫?zé)Y(jié)、閉合場非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)和涂覆技術(shù)制備了金屬氣體擴散層，該氣體擴散層雖然使用了價格較低的不銹鋼纖維作為原材料，但金屬纖維有刺破膜的風(fēng)險，同時也無法避免進入雙極板流道內(nèi)和出現(xiàn)擠壓破損的風(fēng)險。

上述文獻公開的氣體擴散層均為多層材料組合結(jié)構(gòu)，且均為平面結(jié)構(gòu)，在氣體擴散層與雙極板配合使用過程中，由于夾持壓力的作用，不可避免的會使部分氣體擴散層擠壓到雙極板介質(zhì)流道內(nèi)，造成介質(zhì)傳輸阻力增大，排水性能減弱，催化層表面氣體分布不均，甚至在流道脊和溝附近出現(xiàn)折損現(xiàn)象，嚴(yán)重影響燃料電池的性能和壽命。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種異型燃料電池氣體擴散層、制備方法、燃料電池及裝配方法。

為達上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

第一方面，本發(fā)明提供一種異型燃料電池氣體擴散層，尤其是一種異型燃料電池氣體擴散層，所述異型燃料電池氣體擴散層包括依次層疊的碳纖維基材層和微孔層，所述碳纖維基材層的至少一側(cè)具有連續(xù)且交替排布的凸部和凹部，使該側(cè)呈凸凹異型結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的異型燃料電池氣體擴散層具有凸凹交替的凸凹異型結(jié)構(gòu)，使得氣體擴散層與雙極板裝配時，可以通過擴散層的凸部與雙極板的脊部接觸而凹部與流道區(qū)域?qū)?yīng)的方式，避免二者裝配過程中氣體擴散層壓入到雙極板的流道內(nèi)而導(dǎo)致氣體擴散性能和排水性能降低。同時，由于是氣體擴散層的凸部與雙極板脊部接觸，在二者裝配的壓縮過程凸部逐漸減薄至與凹部區(qū)域氣體擴散層相同厚度，避免氣體擴散層在脊和溝過渡區(qū)域受到剪切應(yīng)力而破裂。