一种燃料电池用气体扩散层及制备方法、燃料电池与流程

本技术涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池用气体扩散层及制备方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池主要由膜电极(包括气体扩散层、催化层和质子交换膜)、双极板和密封材料组成。其中气体扩散层主要起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等重要作用。反应气体需通过气体扩散层到达三相交界处进行反应。因此气体扩散层的好坏，将直接影响气体的透过率等，从而影响燃料电池性能。

2、气体扩散层(gdl)主要由碳纸和微孔层组成。碳纸作为基底层，提供了强度支撑和基础骨架等。微孔层刷在碳纸上，将为电池提供更加稳定可靠的气体通道和水通道。通常情况下，气体扩散层微孔层主要起到了保证燃料电池水气平衡的作用，但是在电堆实际运行过程中，由于膜电极本身会发生反应生成大量水，再加上电堆外部供给的气体加湿，在长时间运行下，会出现水淹的情况。这种情况的发生会导致气体供给不足，出现传质问题，严重时还会发生局部反极情况，严重影响电池性能，同时由于内部生成水部分会堆积在气体出口位置，导致出气口和进气口加湿不同，出气口发生水淹，膜电极整体传质不均匀的情况发生。如何提高燃料电池气体扩散层微孔层排水能力，避免产生部分水淹等的问题，是目前急需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术提供了一种燃料电池用气体扩散层及制备方法、燃料电池，以解决如下技术问题：如何提高燃料电池气体扩散层微孔层的排水和传质能力。

2、第一方面，本技术提供了一种燃料电池用气体扩散层，所述气体扩散层包括：

3、基底层；所述基底层包括多个基底等级区间，以靠近高温燃料电池进气口的基底等级区间为基底起始区间，多个所述基底等级区间的憎水剂含量自所述基底起始区间起逐级递减；以及

4、微孔层；所述微孔层设于所述基底层的外侧面上；所述微孔层包括多个与所述基底等级区间相匹配的孔层等级区间，以靠近所述高温燃料电池进气口的孔层等级区间为孔层起始区间，多个所述孔层等级区间的憎水剂含量自所述孔层起始区间起逐级递增；

5、其中，所述孔层起始区间设于所述基底起始区间的外侧。

6、可选的，所述等级区间设有3个～7个。

7、可选的，所述基底等级区间依次设为基底a1区、基底b1区及基底c1区；

8、所述基底a1区的疏水处理液中憎水剂的含量为25wt％～35wt％；

9、所述基底b1区的疏水处理液中憎水剂的含量为20wt％～25wt％；

10、所述基底c1区的疏水处理液中憎水剂的含量为10wt％～20wt％；

11、所述孔层等级区间依次设为孔层a2区、孔层b2区及孔层c2区；

12、所述孔层a2区的浆料中憎水剂的含量为5wt％～15wt％；

13、所述孔层b2区的浆料中憎水剂的含量为15wt％～20wt％；

14、所述孔层c2区的浆料中憎水剂的含量为20wt％～40wt％。

15、可选的，所述基底等级区间依次设为基底a1区、基底b1区、基底c1区、基底d1区及基底e1区；

16、所述基底a1区的疏水处理液中憎水剂的含量为30wt％～35wt％；

17、所述基底b1区的疏水处理液中憎水剂的含量为25wt％～30wt％；

18、所述基底c1区的疏水处理液中憎水剂的含量为20wt％～25wt％；

19、所述基底d1区的疏水处理液中憎水剂的含量为15wt％～20wt％；

20、所述基底e1区的疏水处理液中憎水剂的含量为10wt％～15wt％；

21、所述孔层等级区间依次设为孔层a2区、孔层b2区、孔层c2区、孔层d2区及孔层e2区；

22、所述孔层a2区的浆料中憎水剂的含量为5wt％～10wt％；

23、所述孔层b2区的浆料中憎水剂的含量为10wt％～15wt％；

24、所述孔层c2区的浆料中憎水剂的含量为15wt％～20wt％；

25、所述孔层d2区的浆料中憎水剂的含量为20wt％～30wt％；

26、所述孔层e2区的浆料中憎水剂的含量为30wt％～40wt％。

27、可选的，所述浆料中还包括：导电炭黑及分散液。

28、可选的，所述憎水剂包括：聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯以及四氟乙烯和乙烯的共聚物中的一种或多种。

29、第二方面，本技术提供了一种第一方面中任意一项实施例所述的气体扩散层的制备方法，所述方法包括：

30、根据基底层的基底等级区间数量，选择相应数量的疏水处理液，并分别使用所述疏水处理液将相应的基底等级区间进行疏水处理；

31、根据基底层的基底等级区间数量，选择相应数量的浆料，并分别将浆料涂覆至相应的基底等级区间外侧面上，后进行干燥及焙烧，得到具有多个与所述基底等级区间相匹配的孔层等级区间的气体扩散层。

32、可选的，所述涂覆采用喷涂，所述喷涂的温度为70℃～90℃，所述喷涂的流量为5ml/min～20ml/min；其中，

33、基底a1区和基底b1区的流量为5ml/min～10ml/min；

34、基底c1区和基底d1区的流量为10ml/min～15ml/min；

35、基底e1区的流量为15ml/min～20ml/min。

36、可选的，所述分别使用所述疏水处理液将相应的基底等级区间进行疏水处理，包括：

37、分别使用所述疏水处理液将相应的基底等级区间进行浸渍处理，后进行干燥及焙烧；所述焙烧的温度为300℃～400℃。

38、第三方面，本技术提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括第一方面中任意一项实施例所述的气体扩散层。

39、本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

40、本技术提供了一种燃料电池用气体扩散层，包括：基底层；所述基底层包括多个基底等级区间，以靠近高温燃料电池进气口的基底等级区间为基底起始区间，多个所述基底等级区间的憎水剂含量自所述基底起始区间起逐级递减；以及微孔层；所述微孔层设于所述基底层的外侧面上；所述微孔层包括多个与所述基底等级区间相匹配的孔层等级区间，以靠近所述高温燃料电池进气口的孔层等级区间为孔层起始区间，多个所述孔层等级区间的憎水剂含量自所述孔层起始区间起逐级递增；其中，所述孔层起始区间设于所述基底起始区间的外侧。本技术设计出了一种梯度化的气体扩散层微孔层，在进气口靠近流道处采用高疏水设置，保证气体带入的水能够很好的排出，靠近催化层处采用低疏水设置，导入生产的水防止过干的情况；在出气口靠近流道处采用低疏水设置，靠近催化层处采用高疏水设置，有利于排出水的同时保证整体水气分布的均一性，保证膜电极传质的均匀性。这样纵向与横向的梯度设置可以很好的保证流道及膜电极内部的水气分布的均匀性，容易水淹的位置的高疏水设置使得水容易排出且不会造成较干的情况，反之缺水位置的低疏水设置使得膜电极更容易达成较好的水合状态且不发生水淹，同时整体的水分均匀性会使得气体传输更加顺畅，提供膜电极整体性能和可靠性。从而提高燃料电池气体扩散层微孔层的排水和传质能力。