[發明專利]一種氣體導流擴散流場板及其制備方法、燃料電池

有效

• 申請號: 202110949981.4
• 申請日: 2021-08-18
• 公開（公告）號: CN113675420B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 陶有堃;張穎慧;郭志圓;劉徐昊;焦震鈞;仲政
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）
• 主分類號: H01M8/0232
• 分類號: H01M8/0232;H01M8/0234;H01M8/0245;H01M8/0258
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 曹衛良

本發明提供了一種氣體導流擴散流場板及其制備方法、燃料電池。該氣體導流擴散流場板包括多孔金屬介質以及位于所述多孔金屬介質一側面的微孔層，多孔金屬介質在厚度方向的孔徑在10μm～1mm之間梯度變化，微孔層靠近多孔金屬介質的較小孔徑一側。本發明的氣體導流擴散流場板，可同時具備氣體分布導流、氣體擴散、電流收集、疏排水、保護膜電極免遭損傷的作用，以達到提高反應物和產物的物質傳遞、減小部件體電阻歐姆損失、降低部件之間的接觸電阻歐姆損失、降低電池厚度、簡化電池結構、降低電池成本的作用。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種氣體導流擴散流場板及其制備方法、燃料電池。

背景技術

質子交換膜燃料電池具有清潔高效、工作溫度低、啟動速度快等優點，被認為是未來汽車和便攜式電子設備的最佳電源之一。然而，質子交換膜燃料電池的大規模商業化仍然受到成本高、膜電極組件可靠性和耐久性不足的限制。單電池中的組件包括CCM膜電極(包括中間電解質膜+陰/陽極催化劑層)、以及陰/陽極兩側的氣體擴散層(GDL，包含碳紙基底+微孔層MPL)和雙極板(及其表面的流場)。在這些組件中，雙極板流場和氣體擴散層(GDL)對反應物和產物的質量傳遞起著至關重要的作用，其結構很大程度決定了反應物分布的均勻性，以及產物水能否及時排出。為了提高電池性能和穩定性，質子交換膜燃料電池中陰極側組件的開發一直是燃料電池技術研發關注的重點。

氣體擴散層(GDL)是質子交換膜燃料電池的常規結構中用于反應物/產物物質傳輸的一個關鍵部件之一，由碳紙基底和表面微孔層(MPL)組成。GDL將反應物從雙極板流場通過擴散傳輸到催化劑層，并排出催化劑層產生的水。此外，GDL還起到傳輸電子、為CCM膜電極提供機械支持的作用。盡管GDL具有較高孔隙率和導電性，但它仍會增加物質擴散傳輸阻力以及歐姆電阻(本身的體電阻、以及與相鄰的流場脊部和催化劑層之間界面接觸的電阻)；目前的單片GDL厚度約為200μm，遠大于CCM膜電極本身(約45μm)，亦即GDL在電池中占有很大的體積，從而制約體積功率密度的提高。此外，GDL的碳紙基底對夾持壓力比較敏感，容易在高壓力下被損壞、堵塞在氣體流動通道中；夾持后的滲透率和孔隙度會降低，使得反應物和產物在通道中傳遞緩慢，導致電池性能下降。

質子交換膜燃料電池的常規雙極板流場，是在石墨或者金屬極板上采用雕刻、壓制、刻蝕等機械或化學方法加工產生槽道，用來導流分布氣體和排出產物水。這種流場相對成本較高、質量較重，而且槽道/脊部的結構會在脊部下方氣體擴散層引入氣體分布不均、易產生水淹等問題。近年來，多孔介質流場越來越受到關注。多孔介質流場是直接應用多孔導電材料作為導流氣體反應物和產物的一種流場結構，例如金屬泡沫、石墨烯泡沫和碳氈等，尤其多孔金屬具有理想的機械強度和延展性，以及優良的導電性、導熱性。相比在石墨板或金屬板上加工槽道的傳統流場方式，其具有質量超輕、導電性和導熱性高、容易加工、成本低等優勢。并且，通過采用多孔結構取代傳統的通道/脊流場結構，多孔介質可以使反應物氣體分布的更加均勻，大大提高電池的性能，因此具有替代常規石墨板/金屬板槽道式流場的很大潛力。

目前已有公開采用金屬多孔介質流場的質子膜燃料電池，但其性能不高，且均需依賴使用碳紙氣體擴散層(GDL)這一必要部件來提供氣體擴散、集流導電、疏水排水等功能，同時隔開表面凹凸粗糙的多孔介質，以免刺穿或損傷CCM膜電極。

基于目前的燃料電池所用的金屬多孔介質流場存在的缺陷有必要對此進行改進。

發明內容

有鑒于此，本發明提出了一種氣體導流擴散流場板及其制備方法和燃料電池，以解決或部分解決現有技術中存在的技術問題。

第一方面，本發明提供了一種氣體導流擴散流場板，包括多孔金屬介質以及位于所述多孔金屬介質一側面的微孔層，所述多孔金屬介質在厚度方向的孔徑在10μm～1mm之間梯度變化，所述微孔層靠近所述多孔金屬介質的較小孔徑一側。

優選的是，所述的氣體導流擴散流場板，所述多孔金屬介質靠近所述微孔層一側的孔徑為10-100μm，所述多孔金屬介質遠離所述微孔層一側的孔徑為100μm～1mm。