【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，更具体的说，涉及一种燃料电池气体扩散层基材、其制备方法、气体扩散层、膜电极组件以及燃料电池。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池是一种能量转换装置，通过电极-电解质系统将储存在燃料中的化学反应吉布斯自由能转化为电能。目前，由于使用化石燃料而产生的一系列能源和环境问题亟待解决，而寻求一种可持续的绿色能源具有重要的战略意义。质子交换膜燃料电池已成为未来汽车、电站等领域的重要电源。它具有高效、环保、反应迅速等优点，是减少二氧化碳排放的重要动力。
2、气体扩散层是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，由基材和微孔层组成。为了保证质子交换膜燃料电池的高效运行，气体扩散层不仅要提供反应物和产物的传输路径，还要提供电和热的交换路径。因此，气体扩散层要求具有良好的导电性、导热性、机械强度、耐腐蚀性、透气性和排水性能。
3、但是目前的燃料电池气体扩散层基材通常采用常规湿法造纸法。由于碳纤维之间没有氢键，所以当只使用碳纤维时，预成型件没有粘结强度，无法制成纸。一般情况下，粘结纤维或粘结纤维作为辅助材料，有助于碳纤维形成稳定的网状结构，使预成型件具有机械强度。一般情况下，预成型中粘结剂纤维和粘结剂的得碳率较低，炭化后不能发挥作用，导致碳纸强度低，无加工能力。还有研究人员利用树脂浸渍预成型体来提高碳纸的强度。树脂含量低的碳纸的导电性和机械强度较差。而树脂含量高的碳纸孔隙率、平均孔径和渗透性较低，不利于气体扩散层的传质性能。
4、通过上述描述可知，如何保证燃料电池中气体扩散层具有较高的弹性模量或抗压缩
技术实现思路
1、本申请的目的是至少解决上述技术问题之一，提供一种改进的气体扩散层基材。
2、为此，本申请的一些实施例提供了一种气体扩散层的基材，所述基材为至少包括一个支撑层和至少一个普通层的复合结构，其中，所述支撑层和所述普通层由碳纤维形成；其中，所述支撑层包括不规则的底层结构和规则的交叉支撑结构，所述交叉支撑结构至少包括多个支撑构件，每个所述支撑构件包括朝向所述支撑层的一个表面的夹角部分。
3、在一些实施例中，所述气体扩散层的基材为由中间层和所述中间层两侧的外层构成的多层复合结构；其中，所述中间层由所述支撑层构成，所述外层由所述普通层构成。
4、在一些实施例中，所述中间层为复合结构，所述复合结构由至少一层支撑层和至少一层普通层复合形成。
5、在一些实施例中，多个所述支撑构件行列排列从而形成至少一个桥梁型的交叉支撑结构。
6、在一些实施例中，所述支撑构件是夹角支撑构件和/或三角支撑构件，其中所述三角支撑构件为构成的具有稳定结构的支撑构件；所述夹角支撑构件为未构成三角形稳定结构的支撑构件。
7、在一些实施例中，所述支撑构件的所述夹角部分的夹角角度α小于90°。
8、在一些实施例中，所述基材在0.3mpa面压强下的垂直方向面电阻率低于5mω·cm2。
9、在一些实施例中提供了上述气体扩散层的基材的制备方法，用于制备根据权利要求1所述的气体扩散层的基材，所述方法包括：制备支撑层原纸以及制备普通层原纸，再将所述支撑层原纸和所述普通层原纸复合；其中，制备所述支撑层原纸包括将碳纤维短切成长度为3mm~110mm的短碳纤维；在锤磨机中将所述短碳纤维离解成松散的单根短碳纤维；将所述单根短碳纤维用气流输送到成网机在成形网上形成第一纤网；然后通过针刺工艺在所述第一纤网形成所述交叉支撑结构；再对所述第一纤网喷涂粘合剂定型；再经过干燥制备出所述支撑层原纸；其中，制备所述普通层原纸包括将碳纤维短切成长度为3mm~110mm的短碳纤维；在锤磨机中将所述短碳纤维离解成松散的单根短碳纤维；将所述单根短碳纤维用气流输送到成网机在成形网上形成第二纤网；对所述第二纤网直接喷涂粘合剂定型；再干燥制备出普通层原纸。
10、在一些实施例中，所述复合包括将所述支撑层原纸和所述普通层原纸分别浸渍树脂溶液；经过干燥；然后按照预定的顺序方式进行叠放；然后经过热压、碳化、石墨化处理，制备出所述基材。
11、本申请的另一些实施例提供了气体扩散层，其基于上述任意一种气体扩散层的基材形成。
12、本申请的另一些实施例提供了一种膜电极组件，所述膜电极组件包括：依次层叠设置的阴极侧气体扩散层、阴极侧催化剂层、质子交换膜、阳极侧催化剂层以及阳极侧气体扩散层； 其中，所述阴极侧气体扩散层和/或所述阳极侧气体扩散层包括如上所述的气体扩散层。
13、本申请的另一些实施例提供了一种燃料电池，其包括由如权利要求9所述的膜电极组件、极板、集流板、绝缘板、密封结构以及端板组成的燃料电池电堆。
14、本申请提出的技术方案的有益效果包括：本申请提出的气体扩散层的基材由于具备桥梁型交叉支撑结构，在较低的面压强下就有较低的面电阻率，这样就使碳纸不必被过多压缩，从而在降低面电阻率至期望值的同时保证传质能力不降低。
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1.气体扩散层的基材，其特征在于：所述基材为至少包括一个支撑层和至少一个普通层的复合结构，其中，所述支撑层和所述普通层由碳纤维形成；其中，所述支撑层包括不规则的底层结构和规则的交叉支撑结构，所述交叉支撑结构至少包括多个支撑构件，每个所述支撑构件包括朝向所述支撑层的一个表面的夹角部分。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层的基材，其特征在于：所述气体扩散层的基材为由中间层和所述中间层两侧的外层构成的多层复合结构；其中，所述中间层由所述支撑层构成，所述外层由所述普通层构成。
3.根据权利要求2所述的气体扩散层的基材，其特征在于：进一步的，所述中间层为复合结构，所述复合结构由至少一层支撑层和至少一层普通层复合形成。
4.根据权利要求1所述的气体扩散层的基材，其特征在于：其中，多个所述支撑构件行列排列从而形成至少一个桥梁型的交叉支撑结构。
5.根据权利要求1所述的气体扩散层的基材，其特征在于：其中，所述支撑构件是夹角支撑构件和/或三角支撑构件，其中所述三角支撑构件为构成的具有稳定结构的支撑构件；所述夹角支撑构件为未构成三角形稳定结构的支撑构件
6.根据权利要求1所述的气体扩散层的基材，其特征在于：所述支撑构件的所述夹角部分的夹角角度α小于90°；所述基材在0.3MPa面压强下的垂直方向面电阻率低于5mΩ·cm2。
7.气体扩散层的基材的制备方法，用于制备根据权利要求1所述的气体扩散层的基材，其特征在于，所述方法包括：
8.一种气体扩散层，其特征在于，基于权利要求1至7中的气体扩散层的基材形成。
9.一种膜电极组件，其特征在于，所述膜电极组件包括：依次层叠设置的阴极侧气体扩散层、阴极侧催化剂层、质子交换膜、阳极侧催化剂层以及阳极侧气体扩散层； 其中，所述阴极侧气体扩散层和/或所述阳极侧气体扩散层包括如权利要求8所述的气体扩散层。
10.一种燃料电池，其特征在于包括由如权利要求9所述的膜电极组件、极板、集流板、绝缘板、密封结构以及端板组成的燃料电池电堆。
...【技术特征摘要】
1.气体扩散层的基材，其特征在于：所述基材为至少包括一个支撑层和至少一个普通层的复合结构，其中，所述支撑层和所述普通层由碳纤维形成；其中，所述支撑层包括不规则的底层结构和规则的交叉支撑结构，所述交叉支撑结构至少包括多个支撑构件，每个所述支撑构件包括朝向所述支撑层的一个表面的夹角部分。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层的基材，其特征在于：所述气体扩散层的基材为由中间层和所述中间层两侧的外层构成的多层复合结构；其中，所述中间层由所述支撑层构成，所述外层由所述普通层构成。
3.根据权利要求2所述的气体扩散层的基材，其特征在于：进一步的，所述中间层为复合结构，所述复合结构由至少一层支撑层和至少一层普通层复合形成。
4.根据权利要求1所述的气体扩散层的基材，其特征在于：其中，多个所述支撑构件行列排列从而形成至少一个桥梁型的交叉支撑结构。
5.根据权利要求1所述的气体扩散层的基材，其特征在于：其中，所述支撑构件是夹角支撑构件和/或三角支撑构...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺晓蕊，王晋，刘城，沈星汉，
申请(专利权)人：上海嘉资新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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