[發明專利]具有有序微結構的PEMFC氣體擴散層及加工方法

有效

• 申請號: 202111502932.2
• 申請日: 2021-12-09
• 公開（公告）號: CN114361501B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 劉帥;姚曉航;張禮斌
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H01M8/0234
• 分類號: H01M8/0234;H01M8/0258
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了具有有序微結構的PEMFC氣體擴散層及加工方法，采用雙光子微加工系統使用TRS1材料制作三維結構模板，利用該三維結構模板制作用于微轉移塑模技術(PDMS)的模具，在模具上制備聚合物膜，將材料TRS2注射入模具并暴露于紫外線中，最后進行脫模熱解。本發明是在光聚合物TRS1滿足雙光子聚合以及TRS2滿足微轉移塑模成型的前提下，通過雙光子聚合以及微轉移塑模技術的組合進行質子交換膜燃料電池氣體擴散層有序微結構的制備。本發明以規則多邊形為單元無間隙地組成單層結構，單層結構再重復堆疊，利于電子和氣體傳輸的橫縱或規則多邊形等規則有序的纖維取向，為電子和氣體傳輸提供最優路徑，提升質子交換膜燃料電池性能。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，特別涉及質子交換膜燃料電池氣體擴散層有序微結構及加工方法。

背景技術

隨著能源與環境問題的日益嚴重，清潔能源技術受到了世界各國的關注與重視。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種直接將化學能轉化為電能的發電裝置，具有零排放、無污染、效率高、噪聲低等優點，在交通領域具有廣闊的應用前景和巨大的市場潛力。目前質子交換膜燃料電池性能及壽命還存在很大的提升空間，其中水管理是影響PEMFC性能、成本、耐久性和可靠性的關鍵問題之一。

氣體擴散層(GDL)位于催化劑層(CL)和雙極板之間，是PEMFC最為重要的零部件之一。PEMFC在運行過程中，陰極側發生電化學反應生成液態水，液態水最終經過遷移突破至氣體擴散層表面，在高功率情況下，生成水的速率越來越快，若生成物水無法及時排出，將會引起水淹現象，影響氣體擴散層內的氣體傳輸，限制反應氣體與催化層的接觸反應，增加了電堆的活化極化過電位與濃差極化過電位，從而導致燃料電池性能和壽命降低。因此，通過對質子交換膜燃料電池的陰極氣體擴散層結構進行優化設計和針對復雜的微結構提出可行的加工方法，是提升燃料電池性能的一個關鍵手段。

授權公布號為CN100511787C的中國發明專利公開了一種通過優化氣體擴散層表面形狀，提供具有耐微短路和抗滯水性的氣體擴散層，與催化層接觸的第一表面反面的氣體擴散層第二表面比第一表面粗糙；授權公布號為CN102456891B的中國發明專利公開了一種具有梯度孔結構的氣體擴散層，由大孔炭基支撐體和微孔層疊合而成，構成微孔層的組成材料從原理電池流程的大孔炭基支撐體一側鑲嵌到達孔炭基支撐體內，構成過度孔層。以上對于氣體擴散層宏觀結構優化的方案對燃料電池傳質的提升有限且對電導率的改善效果不明顯。

授權公布號為CN109301258B的中國發明專利公開了一種燃料電池氣體擴散層制備方法，在碳紙的一面涂覆氣體擴散層漿料后燒結處理制得，漿料中包括PTFE、碳粉和多孔納米纖維狀鎳粉。以上傳統的氣體擴散層制備方法可以對氣體擴散層的纖維排布進行十分有限的處理，無法對氣體擴散層的微結構進行調控；通過材料對疏水性的調整對燃料電池性能的提升不大。

發明內容

為了解決現有技術中存在的不足，本申請提出了質子交換膜燃料電池氣體擴散層有序微結構及加工方法，質子交換膜燃料電池氣體擴散層有序微結構，利于電子和氣體傳輸的橫縱或規則多邊形等規則有序的纖維取向，為電子和氣體傳輸提供最優路徑，提升質子交換膜燃料電池性能。

一種質子交換膜燃料電池氣體擴散層有序立方微結構加工方法，包括如下步驟：

S1、設計氣體擴散層的三維結構，

S2、利用雙光子微加工技術使用光聚合物TRS1制備三維結構模板；

S3、以S2中生產的三維結構模板為模具，并應用光聚合物TRS2制作燃料電池氣體擴散層有序的立方微結構。

進一步，所述氣體擴散層的三維結構為有序正立方微結構，每層無間隙的配置正立方體單元，用于強化液態水離開氣體擴散層表面及增強電導率，纖維直徑6-10μm，氣體擴散層孔隙率范圍為0.6～0.9；