本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体涉及一种风冷气体扩散层及其制备方法和膜电极。
背景技术：
1、质子交换膜燃料电池是一种清洁、高效的能源转换方式，广泛应用于交通、固定式电站、备用电源等领域。
2、质子交换膜燃料电池核心的发电单元膜电极的主要部件包括质子交换膜、催化层、气体扩散层、边框等，其中气体扩散层的位置处于膜电极阴阳极催化层两侧主要起到支撑膜电极和提供气体通道和排水通道的作用。气体扩散层一般由碳纤维纸或者碳纤维毡及其上的微孔层组成，微孔层本身具有微孔结构，能够帮助电池内部的气体和水快速地传输。研究表明，微孔层碳载量、疏水剂ptfe的含量、孔隙率和孔径分布对于气体扩散层的性能起决定性作用。气体扩散层作为关键的传质部件，需要在运行过程中提供反应气体传输路径和水传输路径，保证质子交换膜有足够的湿润度同时又不至于堆积过多的液态水导致水淹。不同的运行工况由于进气状态和电堆状态不同对气体扩散层传质特性的要求有很大差异。
3、风冷电堆主要通过空气进行冷却，因此膜电极的使用环境气体流量很大，且电堆无外部加湿，运行过程中容易出现质子膜偏干，性能偏低的情况。因此在应用于风冷膜电极的气体扩散层结构需要进行特殊的保水设计，同时需要保证电堆运行温度较高时，质子交换膜仍然维持一定的湿度。
4、在先专利202410313230.7公开一种基于超薄梯度化微孔层的燃料电池，将不同浓度的二甲基乙酰胺溶液放入静电纺丝仪中纺丝，然后将样品放入马弗炉和管式炉中先后固化和烧结碳化，最后通过疏水处理改变其接触角，制备出不同孔径、孔隙率和接触角的超薄多孔碳纤维层。其超薄梯度化微孔层结构与现有的结构相比较，不包括气体扩散层，在保证电极到流场有效衔接的同时，降低了质子交换膜燃料电池的膜电极厚度，减少了气体输送的路程。然而该发明形成的梯度多孔纤维层属于微孔层，具有自支撑性，但由于其纤维之间连接缺少，强度较低、支撑作用不够，且采用一次疏水处理，不具备梯度化的疏水结构，应用于风冷工况，容易导致质子膜偏干，降低性能和耐久性。
技术实现思路
1、本发明提供一种风冷气体扩散层及其制备方法和膜电极，风冷气体扩散层由基底层、常规微孔层、亲水多孔纤维层组成，其中亲水多孔纤维层通过静电纺丝手段，将纺丝浆液在微孔层表面进行静电纺丝，经固化、预氧化成孔制备而成。
2、本发明的技术方案如下：
3、一种风冷气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：
4、步骤1、基材预处理；
5、步骤2、将微孔层浆料涂敷于基材至少一侧的表面，干燥、烧结、在基材表面形成微孔层；
6、步骤3、将静电纺丝浆液通过变电压静电纺丝工艺，在微孔层表面形成亲水多孔纤维层；制得所述气体扩散层。
7、步骤3中，亲水多孔纤维层包括第一层亲水多孔纤维层和第二层亲水多孔纤维层；
8、所述第一层亲水多孔纤维层的纤维直径为1.5-2μm，所述第一层亲水多孔纤维层的厚度为2-3μm；载量为0.05-0.2mg/cm2；
9、所述第二层亲水多孔纤维层的纤维直径为3-4μm；所述第一层亲水多孔纤维层的厚度为3-5μm；载量为0.1-0.4mg/cm2。
10、所述第一层亲水多孔纤维层的制备工艺：静电纺丝电压10-15kv，固化距离10-12cm，接收时间15-20min、静电纺丝浆液的流速为0.01-0.02ml/min；干燥温度120-140℃；
11、所述第二层亲水多孔纤维层的制备工艺：静电纺丝电压15-20kv，固化距离10-12cm，接收时间15-20min、静电纺丝浆液的流速为0.01-0.02ml/min；干燥温度120-140℃。
12、气体扩散层表面的第一层亲水多孔纤维层和第二层亲水多孔纤维层的总厚度约5-8μm，总载量为0.2-0.5mg/cm2。
13、步骤2中，所述微孔层浆料的材料包括炭黑、聚四氟乙烯分散液、溶剂。所述炭黑、聚四氟乙烯分散液、溶剂的质量比为1-2：0.7-1：5-20。
14、所述炭黑包括乙炔黑、xc-72、石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种；所述溶剂包括水、乙醇、乙二醇、异丙醇中的一种或几种；所述微孔层浆料固含量为5wt.％-15wt.％.
15、所述聚四氟乙烯分散液的浓度为60wt.％±5％。
16、步骤2中，将微孔层涂敷方式为丝网印刷、刮涂、喷涂中的一种或几种。
17、所述丝网印刷工艺中的丝网目数为80-200目。
18、步骤2中，干燥方式为热风烘干或高温烘干；所述烘干温度为80-120℃，时间为5-20min；所述烧结方式为高温烧结；所述烧结温度为340-380℃，时间为20-40min。
19、所述微孔层的厚度为20-60μm。
20、所述基材为碳纸或碳布。
21、作为本发明的一个实施方式，所述步骤2具体为：
22、将微孔层浆料通过丝网印刷的方式涂敷在步骤1处理后的基材的一侧的表面，丝网的目数为100目，随后在100℃的高温烘箱中烘干，时间10min，经过3次涂敷，烘干得到厚度为50μm厚的微孔初层；随后经将涂覆了微孔初层的基材放置于350℃的烧结炉中烧结30min，在基材表面形成微孔层。
23、步骤3中，静电纺丝浆液是通过导电多聚物和溶剂按照一定比例混合而成；导电多聚物的质量分数占浆液总体的10wt.％-99wt.％。
24、步骤3中，静电纺丝浆液的制备过程为先将溶剂充分混合，在溶剂中添加导电多聚物，混合均匀。
25、步骤3中，静电纺丝浆液是通过将炭黑、导电多聚物和溶剂按照一定比例混合而成；炭黑和导电多聚物的质量分数占静电纺丝浆液的10wt.％-99wt.％；炭黑和导电多聚物的比例为1：1，所述导电多聚物包括聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚乙炔(pa)、聚苯胺、聚吡咯、pedot、p3ht中的一种或几种；所述溶剂包括去离子水、乙醇、异丙醇、n-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、四氢呋喃中的一种或几种。
26、按照阴极气体扩散层、ccm、阳极气体扩散层的方式堆叠，进行冷压或者热压，制备成适用于风冷场景的膜电极。所述阴极气体扩散层和阳极气体扩散层均采用上文所述的气体扩散层。
27、应理解，上述ccm是指将燃料电池催化剂涂敷在质子交换膜两侧制备的催化剂/质子交换膜组件，简称ccm(catalyst coated membrane)。ccm包括：质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层，其中阳极催化剂层涂设在质子交换膜的一侧上，阴极催化剂层涂设在质子交换膜的另一侧上。
28、膜电极(也可称为膜电极组件，简称mea)包括ccm和位于ccm两侧的气体扩散层，如在ccm中的阳极催化剂层上设置阳极气体扩散层，在ccm中的阴极催化剂层上设置阴极气体扩散层。
29、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
30、1、常规的气体扩散层由基底层和微孔层组成，应用于风冷膜电极的气体扩散层一般通过增加微孔层厚度增加气体扩散层的保水性，这种方式具备一定的局限性，保水效果一般；本技术通过分段电压控制或线性电压变化，得到靠近微孔层一侧致密，远离微孔层(靠近催化层一侧)稀疏的纤维结构；梯度化的纤维结构可以形成有利于液态水在亲水纤维层的汇集和排出，梯度结构降低了液态水从多孔纤维层向微孔层的突破压力，当液态水在多孔纤维层汇集后更容易向微孔层传输，防止液态水堆积过量导致水淹。
31、2、本技术的气体扩散层应用于阴极时，阴极生成的水从饱和蒸汽压高的阴极催化层扩散到饱和蒸汽压低的多孔纤维层时发生凝结，且凝结的水在亲水气的纤维层聚集，增加质子膜的湿度，降低欧姆阻抗；同时，应用于阳极时，将阴极反渗过来的水保持在质子膜周围。增加了亲水多孔纤维层的气体扩散层可实现膜电极阴极、阳极的同时加湿，大大提升了膜电极的保水效果。即提升风冷膜电极的额定功率密度。
1.一种风冷气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，亲水多孔纤维层包括第一层亲水多孔纤维层和第二层亲水多孔纤维层；所述第一层亲水多孔纤维层靠近微孔层设置；
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述微孔层浆料的材料包括炭黑、聚四氟乙烯分散液、溶剂。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述炭黑、聚四氟乙烯分散液、溶剂的质量比为1-2：0.7-1：5-20。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述炭黑包括乙炔黑、xc-72、石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种；所述溶剂包括水、乙醇、乙二醇、异丙醇中的一种或几种；所述微孔层浆料固含量为5wt.％-15wt.％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，干燥的温度为80-120℃，时间为5-20min；烧结的温度为340-380℃，时间为20-40min；步骤2中，所述微孔层的厚度为20-60μm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，静电纺丝浆液是通过将炭黑、导电多聚物和溶剂按照一定比例混合而成；炭黑和导电多聚物的质量分数占静电纺丝浆液的10wt.％-99wt.％；炭黑和导电多聚物的比例为1：1，所述导电多聚物包括聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、pedot、p3ht中的一种或几种；所述溶剂包括去离子水、乙醇、异丙醇、n-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、四氢呋喃中的一种或几种。
9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备获得的风冷气体扩散层。
10.一种包括权利要求9所述的风冷气体扩散层的膜电极。
