一种用于燃料电池的极板的制作方法

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种用于燃料电池的极板。

背景技术：

1、燃料电池将燃料（如氢气）和氧化剂（如空气中的氧气）中的化学能直接转化成电能，其发电模块是燃料电池堆（简称电堆）。质子交换膜燃料电池（pemfc）采用能够传导质子的高分子薄膜（被称为质子交换膜，pem）作为电解质，环境适应性强，可快速启、停，可作为便携式、移动式、固定式和交通运输用动力电源，应用最为广泛。

2、目前常用的pem由全氟磺酸高分子组成，主链是聚四氟乙烯，支链通过醚健-o-与主链连接，支链的末尾连接有磺酸基团，-so3h。pem只有在达到一定的含水量时才能有效传导质子，如对于杜邦公司生产的等效重量（ew）为1100 g/mol的nafion，在每个磺酸基团周围的水分子少于3个时，nafion基本没有传导质子的能力，当水分子从3个逐渐增加到13个左右时，nafion传导质子的能力快速增加，再进一步增加水分子的数量至22个水分子的饱和含水量时，nafion传导质子能力仍在增加，但增加的幅度变缓。

3、当干燥的反应气如空气通过极板上的流道从单电池的一侧流向另外一侧时，其相对湿度（rh）从几乎0逐渐增加至100%，这是对pemfc的最大挑战：在空气入口附近，由于空气过干，致使该部分的pem的含水量很低，pem传导质子的能力很弱，导致该部分膜电极（mea）发电性能差，且由于较大的电阻，发热量很大，严重时会烧毁该部分的膜电极；而在空气的出口附近，膜电极产生的水累积得最多，不仅空气的rh达到100%，而且还有不能变成蒸汽的液态水，导致该部分膜电极的发电性能也差；只有处于空气入口到空气出口中间的某一部位，空气的rh在100%附近，同时又没有液态水堵塞电极，该部分的性能最好。

4、通过上述分析可见，pemfc需要足够的水分才能表现出良好的性能和寿命，虽然pemfc自身产生的水足够充分湿化pem，但由于水的分布极不均匀，导致空气入口处缺水，而空气出口处水又太多，这是pemfc多年来面临的难解之题。

技术实现思路

1、本发明正是基于上述问题，提出了一种用于燃料电池的极板，通过在极板上增加吸水材料层，可以对燃料电池电堆内的水分运动进行有效控制，实现了水分的良性循环，保证了电堆的性能和寿命。

2、有鉴于此，本发明的一方面提出了一种用于燃料电池的极板，包括：进口共用腔室区、进口导流区、反应区、出口导流区、出口共用腔室区和吸水材料层；

3、所述吸水材料层用于吸收液态水，并将液态水从水量多的区域向水量少的区域传输；还用于当干燥的反应气进入电堆后，释放水分，给干燥的反应气加湿。

4、可选地，所述吸水材料层涂覆在所述反应区。

5、可选地，所述吸水材料层涂覆在所述出口导流区和/或所述进口导流区。

6、可选地，所述吸水材料层涂覆在所述反应区、所述进口导流区和/或所述出口导流区的各个流道的底面和/或侧面。

7、可选地，所述吸水材料层调制方法包括：

8、确定所述吸水材料层涂覆的第一极板所要适用的第一燃料电池的第一性能数据；

9、获取与所述第一燃料电池同类型的第二燃料电池的第一历史工作数据；

10、根据所述第一性能数据和所述第一历史工作数据确定所述吸水材料层的第一性能需求数据；

11、根据所述第一性能需求数据确定所述吸水材料层的分层结构得到多个子层，并确定每个所述子层的子层性能需求数据；

12、根据述子层性能需求数据确定每个所述子层中的吸水颗粒的颗粒大小、颗粒形貌；

13、根据所述颗粒大小和所述颗粒形貌确定对应的多孔材料作为支撑体，并在所述支撑体的孔隙中填充所述吸水颗粒。

14、可选地，所述根据述子层性能需求数据确定每个所述子层中的吸水颗粒的颗粒大小、颗粒形貌的步骤，包括：

15、确定多个所述子层中的第一当前子层所处的第一位置；

16、根据所述第一位置从所述子层性能需求数据中确定对应的第一当前子层性能需求数据；

17、获取所述吸水材料层的材料参数；

18、结合毛细管液体传输理论，根据毛细管径度与液体的界面张力、接触角的关系，计算出对应的毛细管径度数据；

19、根据所述第一当前子层性能需求数据、所述材料参数和所述毛细管径度数据确定所述颗粒大小和所述颗粒形貌。

20、可选地，在所述吸水材料层涂覆过程中，包括：

21、在所述反应区、所述进口导流区和/或所述出口导流区的各个流道中确定待涂覆区域；

22、根据所述第一性能需求数据和/或涂覆工艺的面积限制要求对所述待涂覆区域进行分区得到多个子区域；

23、分别对所述子区域进行涂覆。

24、可选地，所述根据所述第一性能需求数据确定所述吸水材料层的分层结构得到多个子层，并确定每个所述子层的子层性能需求数据的步骤，包括：

25、从所述第一性能需求数据中分析出水管理的关键性能指标；

26、根据流体传输和结构强度理论，计算确定各层所需的气体渗透度、毛细管作用、孔隙率、机械强度及抗腐蚀稳定性；

27、将所述吸水材料层划分为入口处存储调湿层、中间毛细扩散层、出口缓冲释水层几个子层；

28、确定每个所述子层的性能指标与目标值，得到所述子层性能需求数据。

29、可选地，从所述进口共用腔室区和所述进口导流区的入口到所述出口导流区和出口共用腔室区的出口，所述吸水材料层的厚度保持一致。

30、可选地，从所述进口共用腔室区和所述进口导流区的入口到所述出口导流区和出口共用腔室区的出口，所述吸水材料层的厚度成梯度分布，入口处所述吸水材料层的厚度为d1，出口处所述吸水材料层的厚度为d2，d2＞d1。

31、采用本发明的技术方案，用于燃料电池的极板设置进口共用腔室区、进口导流区、反应区、出口导流区、出口共用腔室区和吸水材料层；所述吸水材料层用于吸收液态水，并将液态水从水量多的区域向水量少的区域传输；还用于当干燥的反应气进入电堆后，释放水分，给干燥的反应气加湿。通过在极板上增加吸水材料层，可以对燃料电池电堆内的水分运动进行有效控制，实现了水分的良性循环，保证了电堆的安全。

技术特征：

1.一种用于燃料电池的极板，其特征在于，包括：进口共用腔室区、进口导流区、反应区、出口导流区、出口共用腔室区和吸水材料层；

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的极板，其特征在于，所述吸水材料层涂覆在所述反应区。

3.根据权利要求2所述的用于燃料电池的极板，其特征在于，所述吸水材料层涂覆在所述出口导流区和/或所述进口导流区。

4.根据权利要求3所述的用于燃料电池的极板，其特征在于，所述吸水材料层涂覆在所述反应区、所述进口导流区和/或所述出口导流区的各个流道的底面和/或侧面。

5.根据权利要求4所述的用于燃料电池的极板，其特征在于，所述吸水材料层调制方法包括：

6.根据权利要求5所述的用于燃料电池的极板，其特征在于，所述根据述子层性能需求数据确定每个所述子层中的吸水颗粒的颗粒大小、颗粒形貌的步骤，包括：

7.根据权利要求6所述的用于燃料电池的极板，其特征在于，在所述吸水材料层涂覆过程中，包括：

8.根据权利要求7所述的用于燃料电池的极板，其特征在于，所述根据所述第一性能需求数据确定所述吸水材料层的分层结构得到多个子层，并确定每个所述子层的子层性能需求数据的步骤，包括：

9.根据权利要求8所述的用于燃料电池的极板，其特征在于，从所述进口共用腔室区和所述进口导流区的入口到所述出口导流区和出口共用腔室区的出口，所述吸水材料层的厚度保持一致。

10.根据权利要求8所述的用于燃料电池的极板，其特征在于，从所述进口共用腔室区和所述进口导流区的入口到所述出口导流区和出口共用腔室区的出口，所述吸水材料层的厚度成梯度分布，入口处所述吸水材料层的厚度为d1，出口处所述吸水材料层的厚度为d2，d2＞d1。

技术总结
本发明提出一种用于燃料电池的极板，包括：进口共用腔室区、进口导流区、反应区、出口导流区、出口共用腔室区和吸水材料层；所述吸水材料层用于吸收液态水，并将液态水从水量多的区域向水量少的区域传输；还用于当干燥的反应气进入电堆后，释放水分，给干燥的反应气加湿。本发明方案通过在极板上增加吸水材料层，可以对燃料电池电堆内的水分运动进行有效控制，实现了水分的良性循环，保证了电堆的性能和寿命。

技术研发人员：齐志刚
受保护的技术使用者：新研氢能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21