一种气体扩散层及燃料电池的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种气体扩散层及燃料电池。


背景技术：

2.氢气是一种来源丰富、绿色低碳的二次能源，发展氢能有助于我国能源结构的转型升级和节能减排目标的实现，燃料电池则是利用氢能最理想的发电装置。燃料电池是将燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。相比于传统能源而言，燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到了国内外的普遍重视。
3.目前，商业化燃料电池主要采用全氟磺酸质子交换膜，工作温度一般不超过80℃，存在催化剂对co耐受性较差、pem需增湿保持质子传导能力、阴极水管理复杂、需在极板上加工复杂流道进行水气传输等缺点。而高温质子交换膜燃料电池因其工作温度高于100℃(通常在100℃～200℃范围)，具有催化活性高、co耐受性和水热管理简单等优点，可以使用甲醇重整气等氢气源，且在高温状态下水基本为气态，从而对极板流道设计及气体扩散层排水要求降低，因此，高温燃料电池慢慢成为研究热点。但是，如何在解决高温燃料电池反应气体传输(如气体出入口浓度差异的问题)、极板流道加工难度大的同时减轻其电堆重量、提高其体积功率密度和质量功率密度是目前的研究难点。


技术实现要素：

4.基于此，本实用新型提供一种气体扩散层及燃料电池，旨在解决现有的高温燃料电池反应气体传输(如气体出入口浓度差异的问题)、极板流道加工难度大、电堆重量重、体积功率密度和质量功率密度低等问题。本技术通过优化燃料电池气体扩散层的结构，在碳纤维基底上设置微型流道来实现气体的传输与分配，既可避免极板流道加工难度大的难题，又解决了反应气体传输问题，实现了更优的燃料电池性能。
5.为实现上述目的，一方面，本实用新型实施例提供一种气体扩散层，适用于燃料电池，包括相抵接的多孔碳纤维基底层和微孔层；所述多孔碳纤维基底层靠近所述燃料电池的极板设置，所述微孔层靠近所述燃料电池的催化层设置；所述多孔碳纤维基底层靠近所述极板的一侧面上设置有流道。
6.作为优选的实施方式，所述流道的深度小于所述多孔碳纤维基底层的厚度。
7.作为优选的实施方式，所述多孔碳纤维基底层的厚度为100μm～400μm。
8.作为优选的实施方式，所述多孔碳纤维基底层为由聚丙烯腈基碳纤维制得的基底层。
9.作为优选的实施方式，所述聚丙烯腈基碳纤维的直径为5μm～20μm，长度为2μm～10mm，长径比为200～600。
10.作为优选的实施方式，所述流道的深度20μm～100μm。
11.作为优选的实施方式，所述微孔层的厚度为20μm～120μm。
12.在多孔碳纤维基底层上设置流道，将原来极板需具备的气体传输功能转移至气体
扩散层，简化了极板的加工，可以实现极板“极薄化”，这样能够大幅降低燃料电池的质量与体积，提高燃料电池的功率密度。
13.作为优选的实施方式，所述流道为蛇形流道、平行流道、螺旋流道或网格流道。所述流道可以根据mea尺寸及相关需求设置。
14.另一方面，本技术实施例还提供一种燃料电池，所述燃料电池由上述气体扩散层制备得到。
15.本技术通过在燃料电池气体扩散层的多孔碳纤维基底层上设置流道，可以避免在极板加工流道困难的难题，也能够很好的解决燃料电池反应气体传输和均匀分配的问题；同时，可以实现极板极薄化，能够大幅提高燃料电池电堆的功率密度(包括体积功率密度和质量功率密度)和电池性能。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
17.图1为本实用新型一实施例的燃料电池气体扩散层的结构示意图；
18.图2为本实用新型一实施例的燃料电池单体的结构示意图。
19.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例做进一步说明。
具体实施方式
20.下面将结合本实用新型实施例中对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
21.需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
22.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
23.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
24.另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一
个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
25.目前，如何在解决高温燃料电池反应气体传输(如气体出入口浓度差异的问题)、极板流道加工难度大的同时减轻其电堆重量、提高其体积功率密度和质量功率密度是目前的研究难点。基于此，有必要提供一种气体扩散层及燃料电池以解决上述技术问题。
26.为实现上述目的，一方面，如图1和如图2所示，本实用新型一实施例提供一种气体扩散层，适用于燃料电池100，包括相抵接的多孔碳纤维基底层10和微孔层20；所述多孔碳纤维基底层10靠近所述燃料电池100的极板101设置，所述微孔层20靠近所述燃料电池100的催化层102设置；所述多孔碳纤维基底层10靠近所述极板101的一侧面上设置有流道11。
27.在多孔碳纤维基底层10上设置流道11，将原来极板101需具备的气体传输功能转移至气体扩散层，简化了极板101的加工，可以实现极板“极薄化”，这样能够大幅降低燃料电池的质量与体积，提高燃料电池的功率密度。
28.作为优选的实施方式，所述流道11的深度小于所述多孔碳纤维基底层10的厚度。流道11的深度需要小于多孔碳纤维基底层10的厚度，如果流道11过深，多孔碳纤维基底层10容易发生断裂；流道11过浅，则无法发挥“流道”功能，且易在装配受压过程中消失不见。
29.作为优选的实施方式，所述多孔碳纤维基底层10的厚度为100μm～400μm，如可以为100μm、或者为200μm、或者为300μm、或者为400μm等等。如果多孔碳纤维基底层10的厚度大于400μm，则会增加电池的内阻；如果多孔碳纤维基底层10的厚度小于100μm，则会导致基底层的支撑强度不够。
30.作为优选的实施方式，所述多孔碳纤维基底层10为由聚丙烯腈基碳纤维制得的基底层。
31.作为优选的实施方式，所述聚丙烯腈基碳纤维的直径为5μm～20μm，长度为2μm～10mm，长径比为200～600。这样，能够保证聚丙烯腈基碳纤维的均匀分散，使制得的基底层具有较好的透气性。
32.作为优选的实施方式，所述流道11的深度20μm～100μm，如可以为20μm、或者为40μm、或者为70μm、或者为100μm等等。如果流道11深度大于100μm，多孔碳纤维基底层10容易发生断裂；如果流道11深度小于20μm，则无法发挥“流道”功能，且易在装配受压过程中消失不见。
33.作为优选的实施方式，所述微孔层20的厚度为20μm～120μm，如可以为20μm、或者为50μm、或者为750μm、或者为120μm等等。微孔层20的厚度需控制为20μm～120μm，过薄则无法实现气体和水的再分配，且催化剂易渗漏到多孔碳纤维基底层；过厚则会使得排水阻力大，电池内部易发生水淹。
34.作为优选的实施方式，所述流道11为蛇形流道、平行流道、螺旋流道或网格流道。所述流道可以根据mea尺寸及相关需求设置。
35.另一方面，如图2所示，本实用新型另一实施例还提供一种燃料电池100，所述燃料电池100由上述气体扩散层制备得到。具体的，将上述气体扩散层有流道设计的一面靠近极板侧、微孔层靠近催化层，与其他零部件组装成单电池。经测试，制备得到的燃料单电池反应气体传输和均匀分配均匀，实现了极板极薄化，具有较好的功率密度(包括体积功率密度
和质量功率密度)和电池性能。在本技术实施例中，气体的进出口不需要大的改变，将进出口从极板转移设置至气体扩散层，与流道适配即可，因此，所述多孔碳纤维基底层10的两端设置有与所述流道相适配的气体进出口。
36.而在极板上设置流道组装成的单电池，其制备工艺难度较大，极板较厚，其体积功率密度和质量功率密度均较低，电池性能不如本技术的气体扩散层组装得到的燃料单电池。
37.本技术通过在燃料电池气体扩散层的多孔碳纤维基底层上设置流道，可以避免在极板加工流道困难的难题，也能够很好的解决燃料电池反应气体传输和均匀分配的问题；同时，可以实现极板极薄化，能够大幅提高燃料电池电堆的功率密度(包括体积功率密度和质量功率密度)和电池性能。
38.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。