[发明专利]一种质子交换膜燃料电池阴极扩散层

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔介质扩散层，尤其涉及用于质子交换膜燃料电池阴极组件的多孔电极扩散层。

背景技术

质子交换膜燃料电池由阳极、阴极和电极之间的质子交换膜组成，如图1所示，阳极A和阴极B分别由对称分布的双极板1、扩散层2和催化层3组成，其中在双极板上设置有电池流道5。在质子交换膜4两侧的电极催化层发生电化学反应，阴极催化层3电化学反应生成的水经过多孔介质扩散层2传输到流道5，然后随流道5中的气流排出电池。燃料电池的扩散层是燃料反应气从外部传输到电池内部、以及电极催化层的生成物排出到电池外部的主要通道，阴极反应生成物为水，水的及时排出是保证多孔结构不被堵塞从而使反应气顺利到达催化层的关键过程，也是影响电池性能的重要因素。电极扩散层的多孔结构如图2所示，在扩散层2一侧为电化学反应发生的场所，即催化层3；另一侧为提供反应气和排水通道的电池流道5。水的排出方向为从催化层3经由整个扩散层2传输到电池流道5，反应气从流道入口向出口流动的过程中，将流道中的水及时带走，从出口排出。图2中箭头方向为扩散层2内液态水的传输方向。电极扩散层通常要经过疏水处理从而使得水在其中的停留时间越短越好。然而，在大电流密度工作条件下，燃料电池阴极催化层会在短时间内产生大量的水，水容易聚积在多孔介质内部，阻塞传质通道，增大了外部反应气到达电极催化层的传质阻力，使得电池性能急剧下降。电极扩散层的表面接触角决定了多孔介质的亲疏水特性，经过疏水处理后，阴极催化层生成的水能快速通过扩散层传输到电池流道。关于电极扩散层表面接触角的研究相对较少，并且扩散层的接触角通常都为定值。到目前为止，关于多孔介质扩散层接触角的变化及接触角设计对质子交换膜燃料电池阴极排水及电池性能方面的影响尚无相关报道。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种有利于促进强制排水作用的一种质子交换膜燃料电池阴极扩散层，本扩散层可使阴极催化层生成水的排出速率大幅提高，缩短水在扩散层内的停留时间，有效缓解阴极水淹，从而提高燃料电池的极限电流密度，使得电池在大电流范围内的工作性能得到改进。

本发明的一种燃料电池阴极扩散层，扩散层为设置在燃料电池膜电极催化层和电池流道之间的多孔介质支撑层，与催化层相连的扩散层的内表层为进水层，与电池流道紧密连接的扩散层的外表层为出水层，沿从进水层至出水层的厚度方向，扩散层具有接触角依次减小的多个变接触角分层。

本发明的优点：

本发明结构简单，易于加工且成本较低，通过在扩散层厚度方向上设置接触角渐变结构，使得扩散层沿厚度方向的接触角渐次减小，疏水性逐渐减弱，使得水在扩散层厚度方向运动时产生递增的表面张力效应，增大了水滴沿扩散层接触角减小方向的传输驱动力，有效促进了水滴在扩散层内向流道出口方向的传输，使得阴极产生的水能够快速通过扩散层的多孔通道排出到达电池流道，水的排出速度得到大幅度提高，起到了促进排水的作用。在大电流工作状态下可有效预防或缓解阴极水淹，降低反应气的传质阻力，从而提高电池的发电性能。

附图说明

图1是典型的质子交换膜燃料电池结构示意图；

图2-1是水沿扩散层厚度方向流动示意图；

图2-2是水沿垂直于扩散层厚度方向流动示意图；

图3是本发明的一种质子交换膜燃料电池阴极扩散层结构示意图，其中l为扩散层分区距离，α为接触角(接触角同时适用于厚度方向和垂直厚度方向)，α₁﹥α₂﹥···﹥α_n-1﹥α_n；

图4是本发明的一种质子交换膜燃料电池阴极扩散层结构示意图，其中l为扩散层分区距离，l₁﹥l₂···﹥l_n-1﹥l_n；α为接触角(接触角同时适用于厚度方向和垂直厚度方向)，α₁﹥α₂﹥···﹥α_n-1﹥α_n；

图5是本发明的一种质子交换膜燃料电池阴极扩散层结构示意图，其中l为扩散层分区距离，l₁﹤l₂﹤···﹤l_n；α为接触角(接触角同时适用于厚度方向和垂直厚度方向)，α₁﹥α₂﹥···﹥α_n；