【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，具体而言，涉及一种气体扩散层及其制备方法和燃料电池。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池是一种具有效率高、功率密度高、低温启动迅速及环境友好等优点的清洁绿色新能源。质子交换膜燃料电池主要由质子交换膜(电解质)、催化剂层、气体扩散层和双极板等核心部件组成，在工作过程中，电子、氢离子和氧气在催化剂的作用下发生氧还原反应生成水，生成的水一部分和质子膜以及催化层中的离聚物水合，一部分穿过质子膜到达阳极催化层，多余的水分会在毛细作用力下进入扩散层，最终流入双极板的流道中，并在空气的吹扫作用下被带离电池。燃料电池中水的管理十分重要，水管理需要把燃料电池内部的水控制在合理的范围内，实现电池内部水量的动态平衡，既能发挥水的离子传导作用，同时避免物质传输受限，提升燃料电池的发电性能。
2、在现有研究和应用中，时常出现在燃料电池工作的过程中，液态水没有及时地排出，导致气体通道被堵塞，阻碍气体进入到催化层进行反应，从而导致电池性能由于较大的浓差极化和活化极化出现大幅度衰减。现有技术中，燃料电池的气体扩散层制备精度低，效率低，容易产生堵水，进气均匀性差，因此导致制备得到的燃料电池的性能并不理想。
3、有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
1、本专利技术的一个目的在于提供一种气体扩散层，可缓解堵水的压力，提高进气的均匀性，提高燃料电池的性能。
2、本专利技术的另一个目的在于提供一种所述的气体扩散层的制备方法，得到高加工精度的气体扩散层，有利于排
3、本专利技术的另一个目的在于提供一种燃料电池。
4、为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
5、一种气体扩散层，包括复合碳纤维层、碳粉微孔层和气体通道结构，所述复合碳纤维层包括第一碳纤维层和第二碳纤维层，所述第二碳纤维层的两侧表面分别连接所述第一碳纤维层和所述碳粉微孔层；沿所述第一碳纤维层至所述碳粉微孔层的方向上，各层的平均孔径逐渐减小；所述第一碳纤维层的表面具有多个间隔设置的凹槽，形成所述气体通道结构。
6、在一种实施方式中，多个所述凹槽相互平行。
7、在一种实施方式中，所述凹槽的宽度为0.1～1.5mm，所述凹槽的深度为0.1～0.4mm，任意相邻的两个所述凹槽之间形成多孔脊，多孔脊的脊宽为0.1～1.5mm。
8、在一种实施方式中，所述第一碳纤维层的平均孔径为30～45μm，所述第二碳纤维层的平均孔径为15～30μm，所述微孔碳层的平均孔径为0.1～0.5μm。
9、在一种实施方式中，所述第一碳纤维层的厚度为0.2～0.45mm，所述第二碳纤维层的厚度的0.1～0.2mm，所述碳粉微孔层的厚度为10～30μm。
10、所述的气体扩散层的制备方法，包括以下步骤；
11、(a)将第一碳纤维原纸和第二碳纤维原纸浸渍于树脂溶液中，所述第一碳纤维原纸的面密度小于所述第二碳纤维原纸的面密度，再进行第一干燥处理及热压复合处理，得到第一复合体；将所述第一复合体进行石墨化处理及疏水处理，得到具有第一碳纤维层和第二碳纤维层的复合碳纤维层；
12、(b)将步骤(a)中第二碳纤维层的表面涂覆含碳粉的浆料，再进行第二干燥处理和烧结处理，得到具有碳粉微孔层的第二复合体；
13、(c)在步骤(b)的第二复合体的第一碳纤维层的表面刻蚀多个凹槽，得到气体扩散层。
14、在一种实施方式中，所述第一碳纤维原纸的面密度为5～45g/m2，所述第二碳纤维原纸的面密度为40～80g/m2。
15、在一种实施方式中，所述树脂溶液包括热固性树脂和有机溶剂；所述树脂包括酚醛树脂、脲醛树脂和环氧树脂中的至少一种，所述树脂的固含量为30％～60％。
16、在一种实施方式中，所述第一干燥处理的温度为120～160℃，所述第一干燥处理的时间为10～30min。
17、在一种实施方式中，所述热压复合处理的温度为100～200℃，所述热压复合处理的压力为1～20mpa，所述热压复合处理的时间为30～60s。
18、在一种实施方式中，所述是石墨化处理的温度为2000～3000℃，所述是石墨化处理的时间为5～30min。
19、在一种实施方式中，所述疏水处理，具体包括：将石墨化处理后的第一复合体浸渍于疏水液中，再进行第三干燥处理；所述疏水液包括疏水剂和水，所述疏水液的浓度为5％～15％，所述疏水剂包括聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯和聚偏氟乙烯中的至少一种。
20、在一种实施方式中，所述疏水处理的过程中，所述浸渍的时间为1～5min，所述第三干燥处理的温度为60～80℃，所述第三干燥处理的时间为3～8min。
21、在一种实施方式中，所述含碳粉的浆料包括碳粉、表面活性剂、憎水剂、水和醇，所述碳粉、表面活性剂、憎水剂、水和醇的质量比为(8～15)：(0.5～3.0)：(4～9)：(100～180)：(30～40)。
22、在一种实施方式中，所述含碳粉的浆料中，碳粉的d50粒径为20～50nm。
23、在一种实施方式中，所述表面活性剂包括多元醇型、烷基醇酰胺型或者氧化胺型中的至少一种。
24、在一种实施方式中，所述憎水剂包括聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯和聚偏氟乙烯中的至少一种。
25、在一种实施方式中，所述涂覆的方式包括刮涂、丝网印刷和喷涂中的至少一种。
26、在一种实施方式中，所述第二干燥处理的温度60～80℃，所述第二干燥处理的时间为3～5min。
27、在一种实施方式中，所述烧结处理的温度为320～380℃，所述烧结处理的时间为20～40min。
28、在一种实施方式中，所述刻蚀包括离子研磨刻蚀和激光刻蚀中的至少一种。
29、在一种实施方式中，所述刻蚀的走线宽度为1～1000μm，走线速度为1000～8000mm/s，走线次数为5～100次。
30、在一种实施方式中，一种燃料电池，包括所述的气体扩散层和所述的气体扩散层的制备方法制备得到的气体扩散层。
31、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
32、(1)本专利技术的气体扩散层形成梯度孔结构，同时在第一碳纤维层的表面设置多个凹槽，形成气体流道；在梯度孔结构有助于排水的基础上，利用凹槽结构水的横向传输和气体横向扩散，提升燃料电池的水管理能力，有利于提高进气均匀性，可优化电池的性能。
33、(2)本专利技术首先通过多层复合的方式进行复合碳纤维层的制备，然后进行碳粉微孔层的涂布，再利用铣削刻蚀的方式进行凹槽(气体流道)的加工，得到具有气体流道的梯度孔结构的气体扩散层，加工精度高，效率高，可维持多孔脊原有的孔隙结构不被破坏；本专利技术的方法可实现批量化生产，得到的气体扩散层更有利于排水和气体的进行均匀性。
34、(3)本专利技术的燃料电池具有上述气体扩散层，有利于排气和气体进气的均匀本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种气体扩散层，其特征在于，包括复合碳纤维层、碳粉微孔层和气体通道结构，所述复合碳纤维层包括第一碳纤维层和第二碳纤维层，所述第二碳纤维层的两侧表面分别连接所述第一碳纤维层和所述碳粉微孔层；沿所述第一碳纤维层至所述碳粉微孔层的方向上，各层的平均孔径逐渐减小；所述第一碳纤维层的表面具有多个间隔设置的凹槽，形成所述气体通道结构。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，包含以下特征(1)至(2)中的至少一种：
3.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，包含以下特征(1)至(2)中的至少一种：
4.如权利要求1～3中任一项所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
5.根据权利要求4所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述第一碳纤维原纸的面密度为5～45g/m2，所述第二碳纤维原纸的面密度为40～80g/m2。
6.根据权利要求4所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种：
7.根据权利要求4所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，包含以下特征(1
8.根据权利要求4所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，包含以下特征(1)至(7)中的至少一种：
9.根据权利要求4所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，包含以下特征(1)至(2)中的至少一种：
10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1～3中任一项所述的气体扩散层和权利要求4～9中任一项所述的气体扩散层的制备方法制备得到的气体扩散层。
...【技术特征摘要】
1.一种气体扩散层，其特征在于，包括复合碳纤维层、碳粉微孔层和气体通道结构，所述复合碳纤维层包括第一碳纤维层和第二碳纤维层，所述第二碳纤维层的两侧表面分别连接所述第一碳纤维层和所述碳粉微孔层；沿所述第一碳纤维层至所述碳粉微孔层的方向上，各层的平均孔径逐渐减小；所述第一碳纤维层的表面具有多个间隔设置的凹槽，形成所述气体通道结构。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，包含以下特征(1)至(2)中的至少一种：
3.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，包含以下特征(1)至(2)中的至少一种：
4.如权利要求1～3中任一项所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
5.根据权利要求4所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：钱伟，汪如意，方川，李飞强，
申请(专利权)人：北京亿华通科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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