CN116394601A - 一种炭纤维毡及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本说明书实施例公开了一种炭纤维毡及其制备方法。该炭纤维毡的制备方法包括：对至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体中的每种炭纤维预氧化丝毡预制体进行浸渍处理及轧制处理，其中，至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度不相等；将经过轧制处理后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行层叠；以及对层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行处理，得到炭纤维毡。

Description

一种炭纤维毡及其制备方法
技术领域
本说明书涉及电池领域，特别涉及一种炭纤维毡及其制备方法、由炭纤维毡制备气体扩散层的制备方法。
背景技术
气体扩散层在燃料电池中具有重要作用，通常要求其具备较高的水气管理能力。基底层作为气体扩散层的最主要部分，通常要求其具备较高的孔隙率和良好的导电性。因此，有必要提供一种具备较高孔隙率和良好导电性的基底层及其制备方法，以及具备较高水气管理能力的气体扩散层及其制备方法。
发明内容
本说明书实施例之一提供一种炭纤维毡的制备方法。该方法包括：对至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体中的每种所述炭纤维预氧化丝毡预制体进行浸渍处理及轧制处理，其中，所述至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度不相等；将经过所述轧制处理后的所述至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行层叠；以及对层叠后的所述至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行处理，得到所述炭纤维毡。
在一些实施例中，所述至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度为0.1g/m3-0.5g/m3，进行所述层叠的相邻的两种所述炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值为0.1g/m3-0.4g/m3。
在一些实施例中，经过所述浸渍处理和所述轧制处理后的所述炭纤维预氧化丝毡预制体的质量为未经过所述浸渍处理和所述轧制处理的所述炭纤维预氧化丝毡预制体的质量的6-9倍。
在一些实施例中，所述将经过所述轧制处理后的所述至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行层叠包括：将经过所述轧制处理后的所述至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体按体密度从小到大或从大到小的顺序进行层叠。
在一些实施例中，所述处理包括热压固化、炭化以及石墨化，经过所述热压固化后的所述层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度为80μm-400μm。
本说明书实施例之一还提供一种炭纤维毡，使用前述炭纤维毡的制备方法制得。
本说明书实施例之一还提供一种电池扩散层的制备方法。该方法包括：对前述制得的炭纤维毡进行疏水处理，得到疏水炭纤维毡；在所述疏水炭纤维毡的体密度较大的一侧涂覆微孔层物料，进行处理，得到初制气体扩散层；以及对所述初制气体扩散层进行激光打孔，制得所述电池扩散层。
在一些实施例中，所述激光打孔的孔径为10μm-100μm。
在一些实施例中，所述激光打孔的孔间距为1mm-5mm。
本说明书实施例之一还提供一种电池。该电池包括前述电池扩散层的制备方法制得的电池扩散层。
附图说明
本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：
图1是根据本说明书一些实施例所示的示例性炭纤维毡的制备方法的流程图。
图2是根据本说明书一些实施例所示的示例性电池扩散层的制备方法的流程图。
图3是分别根据实施例1与对比例1制得的炭纤维毡的孔径分布对比图。
图4是分别根据实施例2与对比例2制得的炭纤维毡的孔径分布对比图。
图5是根据实施例3制得的炭纤维毡的孔径分布图。
图6是实施例6、对比例6与对比例6a制得的气体扩散层组装单电池极化曲线图。
图7是实施例7与对比例7制得的气体扩散层组装单电池极化曲线图。
图8是实施例8与对比例8制得的气体扩散层组装单电池极化曲线图。
具体实施方式
如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。
图1是根据本说明书一些实施例所示的示例性炭纤维毡的制备方法的流程图。在一些实施例中，该流程100可以由控制系统自动执行。例如，流程100可以通过控制指令实现，控制系统基于控制指令完成流程100的各个操作。在一些实施例中，流程100可以半自动执行。例如，流程100的一个或多个操作可以由操作者手动执行。如图1所示，流程100可以包括下述步骤。
步骤110，对至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体中的每种炭纤维预氧化丝毡预制体进行浸渍处理及轧制处理。
在一些实施例中，炭纤维毡的制备可以由控制系统自动执行。例如，可以通过控制指令实现，控制系统基于控制指令，控制各个装置完成制备方法中涉及的各个操作。在一些实施例中，炭纤维毡的制备可以半自动执行。例如，一个或多个操作可以由操作者手动执行。
炭纤维预氧化丝毡预制体可以指聚丙烯腈炭纤维预氧丝短纤维毡。在一些实施例中，炭纤维预氧化丝毡预制体可以通过针刺法或水刺法制得，也可以通过其他方法制得，本说明书不做限制。在一些实施例中，炭纤维预氧化丝毡预制体可以自制或从市场购买得到。
由于炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度会影响制得的炭纤维毡的性能(例如，机械强度、气液传输性能)。例如，炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度过小，会导致制得的炭纤维毡的体密度较小，进而导致炭纤维毡机械强度(例如，抗拉强度)较低。又例如，炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度过大，会影响炭纤维毡的气液传输性能。因此，在一些实施例中，为了使炭纤维毡具有较优的性能(例如，较高的抗拉强度和较优异的气液传输性能)，炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度需满足预设条件。
在一些实施例中，炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度可以在0.1g/m3-0.5g/m3的范围内。在一些实施例中，炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度可以在0.15g/m3-0.45g/m3的范围内。在一些实施例中，炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度可以在0.2g/m3-0.4g/m3的范围内。在一些实施例中，炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度可以在0.25g/m3-0.35g/m3的范围内。在一些实施例中，炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度可以在0.28g/m3-0.3g/m3的范围内。
本说明书实施例采用至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体制备炭纤维毡，该至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度可以不相等，以制备得到具有明显梯度孔隙结构的炭纤维毡。例如，第一种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度为0.1g/m3，第二种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度为0.15g/m3。该两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度差值为0.05g/m3。
在一些实施例中，每种炭纤维预氧化丝毡预制体可以包括至少一张炭纤维预氧化丝毡预制体。在一些实施例中，每种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度可以相等。在一些实施例中，每种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度可以不相等。例如，同种炭纤维预氧化丝毡预制体中不同张炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值可以在预设范围内(例如，0.01g/m3-0.1g/m3范围内)。又例如，同种炭纤维预氧化丝毡预制体中不同张炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值可以是其中任一张炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的预设百分比(例如，1％-10％)。
由于炭纤维预氧化丝毡预制体的面密度会影响制得的炭纤维毡的性能(例如，机械强度、气液传输性能)和生产成本。例如，炭纤维预氧化丝毡预制体的面密度过小，会导致制得的炭纤维毡的面密度较小，进而导致炭纤维毡机械强度(例如，抗拉强度)较低。又例如，炭纤维预氧化丝毡预制体的面密度过大，会增加炭纤维丝毡的生产成本，还会影响炭纤维毡的气液传输性能。因此，在一些实施例中，为了使炭纤维毡具有较优的性能(例如，较高的抗拉强度和较优异的气液传输性能)和较低的生产成本，炭纤维预氧化丝毡预制体的面密度需满足预设条件。
在一些实施例中，炭纤维预氧化丝毡预制体的面密度可以在10g/m2-60g/m2的范围内。在一些实施例中，炭纤维预氧化丝毡预制体的面密度可以在15g/m2-55g/m2的范围内。在一些实施例中，炭纤维预氧化丝毡预制体的面密度可以在20g/m2-50g/m2的范围内。在一些实施例中，炭纤维预氧化丝毡预制体的面密度可以在25g/m2-45g/m2的范围内。在一些实施例中，炭纤维预氧化丝毡预制体的面密度可以在30g/m2-40g/m2的范围内。在一些实施例中，炭纤维预氧化丝毡预制体的面密度可以在35g/m2-38g/m2的范围内。
在一些实施例中，至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的面密度可以相等或不相等。在一些实施例中，至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的表面积可以相等，以省去后续层叠时的裁剪处理。在一些实施例中，至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度可以相等或不相等。
在一些实施例中，浸渍处理时，炭纤维预氧化丝毡预制体可以完全浸没在浸渍液中。在一些实施例中，浸渍液可以重复利用，以节约成本。在一些实施例中，至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体可以浸渍于相同或不同的浸渍液中。在一些实施例中，每种炭纤维预氧化丝毡预制体中的不同张炭纤维预氧化丝毡预制体可以浸渍于相同或不同的浸渍液中。
在一些实施例中，浸渍液可以包括热固性树脂，作为粘接剂和增密剂。在一些实施例中，热固性树脂可以包括但不限于酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂或糠酮树脂中的至少一种。
在一些实施例中，热固性树脂可以占浸渍液的0.5wt％-20wt％。在一些实施例中，热固性树脂可以占浸渍液的1wt％-15wt％。在一些实施例中，热固性树脂可以占浸渍液的2wt％-10wt％。在一些实施例中，热固性树脂可以占浸渍液的2wt％-5wt％。
在一些实施例中，浸渍液还可以包括醇。在一些实施例中，醇可以作为溶剂，以提高浸渍液对炭纤维预氧化丝毡预制体的浸润度，进一步降低炭纤维预氧化丝毡预制体在浸渍液中的浸渍时间。
在一些实施例中，醇可以包括但不限于乙醇、乙二醇、丙醇、丙三醇、异丙醇等中的至少一种。
在一些实施例中，将至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体中的每种炭纤维预氧化丝毡预制体置于浸渍液中浸渍预设时间，可以使至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体中的每种炭纤维预氧化丝毡预制体吸附热固性树脂，以便后续开展炭化、石墨化处理，进一步提高炭纤维毡性能(例如，降低电阻率)。
在一些实施例中，可以对浸渍处理后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体中的每种炭纤维预氧化丝毡预制体进行轧制处理，以去除浸渍处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体中多余的热固性树脂，可以避免浸渍处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体在后续热压固化处理过程中因受力挤压导致热固性树脂飞溅，造成损耗。在一些实施例中，可以收集并重复利用轧制处理过程中去除的热固性树脂，进一步可以降低生产成本。在一些实施例中，轧制处理可以使热固性树脂在每种炭纤维预氧化丝毡预制体或每张炭纤维预氧化丝毡预制体中分布更均匀，进一步提高炭纤维毡性能。在一些实施例中，可以对浸渍处理后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体中的每种炭纤维预氧化丝毡预制体依次进行轧制处理，也可以同时进行轧制处理。在一些实施例中，可以对浸渍处理后的每种炭纤维预氧化丝毡预制体中的每张炭纤维预氧化丝毡预制体依次进行轧制处理，也可以同时进行轧制处理。
在一些实施例中，可以通过控制轧制处理的相关工艺参数(例如，轧制间隙、轧制压力等)控制轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量增重。
由于经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量增重会影响炭纤维毡的性能。例如，经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量增重过小，会导致层叠后相邻的炭纤维预氧化丝毡预制体之间的接触界面的热固性树脂较少，进而导致制得的炭纤维毡的机械强度较低。又例如，经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量增重过大，会导致层叠后相邻的炭纤维预氧化丝毡预制体之间的接触界面出现热固性树脂分布不均或热固性树脂聚集的现象。且部分热固性树脂会堵塞炭纤维预氧化丝毡预制体的孔隙，进一步导致炭纤维毡孔隙率较低、弯曲性能较差。因此，在一些实施例中，为了使炭纤维毡具有较优的性能，经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量增重需满足预设条件。
在一些实施例中，经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体质量的6-9倍。在一些实施例中，经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体质量的6.2-8.8倍。在一些实施例中，经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体质量的6.4-8.6倍。在一些实施例中，经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体质量的6.6-8.4倍。在一些实施例中，经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体质量的6.8-8.2倍。在一些实施例中，经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体质量的7-8倍。在一些实施例中，经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体质量的7.2-7.8倍。在一些实施例中，经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体质量的7.4-7.6倍。
步骤120，将经过轧制处理后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行层叠。
在一些实施例中，可以将经过轧制处理后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体按照体密度从小到大或从大到小的顺序进行层叠，使制得的炭纤维毡具有梯度孔隙结构。
由于层叠后相邻的两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值会影响制得的炭纤维毡的性能。例如，层叠后相邻的两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值太小，会导致制得的炭纤维毡的孔隙不具有明显的梯度结构，进而影响电池性能。又例如，层叠后相邻的两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值太大，会导致由制得的炭纤维毡组装成的电池排水性能较差，易发生水淹现象。因此，在一些实施例中，为了使制得的炭纤维毡具有合理的梯度孔隙结构，或由制得的炭纤维毡组装的电池具有较优的性能(例如，较优异的排水性能)，进行层叠的相邻两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值需满足预设条件。
在一些实施例中，进行层叠的相邻的两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值可以为0.1g/m3-0.4g/m3。在一些实施例中，进行层叠的相邻的两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值可以为0.15g/m3-0.35g/m3。在一些实施例中，进行层叠的相邻的两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值可以为0.2g/m3-0.3g/m3。在一些实施例中，进行层叠的相邻的两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值可以为0.22g/m3-0.25g/m3。在一些实施例中，进行层叠的相邻的两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值可以为0.1g/m3、0.15g/m3、0.2g/m3、0.25g/m3、0.3g/m3、0.35g/m3或0.4g/m3。
步骤130，对层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行处理，得到炭纤维毡。
在一些实施例中，对层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行处理可以包括热压固化、炭化以及石墨化。
对层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行热压固化处理的过程中，热固性树脂会发生交联固化反应，以在至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体之间实现增密及搭接作用，进一步可以在至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的孔隙分布存在差异的情况下构建电子传输通道。
由于热压固化温度和/或热压固化压力会影响炭纤维毡的性能和制备效率。例如，热压固化温度和/或热压固化压力过小，会导致热压固化效率较低，进一步导致炭纤维毡的制备效率较低。又例如，热压固化温度和/或热压固化压力过大，会导致热固性树脂流动性较大，使相邻的两种炭纤维预氧化丝毡预制体之间的热固性树脂含量较低，进一步导致制得的炭纤维毡的机械强度较低。因此，在一些实施例中，为了使炭纤维毡具有较优的性能(例如，较优的机械强度)和较高的制备效率，热压固化温度和/或热压固化压力需满足预设条件。
在一些实施例中，热压固化温度可以在150℃-250℃范围内。在一些实施例中，热压固化温度可以在170℃-230℃范围内。在一些实施例中，热压固化温度可以在190℃-210℃范围内。在一些实施例中，热压固化温度可以在200℃-205℃范围内。
在一些实施例中，热压固化压力可以在0.5MPa-5MPa范围内。在一些实施例中，热压固化压力可以在1MPa-4MPa范围内。在一些实施例中，热压固化压力可以在2MPa-3MPa范围内。
在一些实施例中，热压固化时间可以在5min-30min范围内。在一些实施例中，热压固化时间可以在10min-25min范围内。在一些实施例中，热压固化时间可以在15min-20min范围内。
在一些实施例中，可以通过控制热压固化处理的相关工艺参数(例如，热压固化温度、热压固化压力、热压固化时间等)控制热压固化处理后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度。
由于热压固化处理后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度会影响炭纤维毡的性能。例如，热压固化处理后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度过小，会导致梯度孔隙结构不明显。又例如，热压固化处理后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度过大，会导致至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体之间搭接度较低，进一步导致炭纤维毡的电阻率较高、电子传输及传质阻力较大。因此，在一些实施例中，为了使炭纤维毡具有较优的性能(例如，较优的电子传输能力、较低的电阻率和传质阻力)，热压固化处理后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度需满足预设条件。
在一些实施例中，经过热压固化后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度可以在80μm-400μm范围内。在一些实施例中，经过热压固化后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度可以在100μm-380μm范围内。在一些实施例中，经过热压固化后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度可以在120μm-360μm范围内。在一些实施例中，经过热压固化后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度可以在140μm-340μm范围内。在一些实施例中，经过热压固化后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度可以在160μm-320μm范围内。在一些实施例中，经过热压固化后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度可以在180μm-300μm范围内。在一些实施例中，经过热压固化后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度可以在200μm-280μm范围内。在一些实施例中，经过热压固化后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度可以在220μm-260μm范围内。在一些实施例中，经过热压固化后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度可以在230μm-250μm范围内。
在一些实施例中，可以对经过热压固化处理后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行炭化处理。在一些实施例中，可以在惰性气氛下进行炭化处理。在一些实施例中，惰性气氛可以包括但不限于氮气、惰性气体(稀有气体)中的至少一种。
在一些实施例中，炭化温度可以在800℃-1200℃范围内。在一些实施例中，炭化温度可以在900℃-1100℃范围内。在一些实施例中，炭化温度可以在950℃-1000℃范围内。
在一些实施例中，炭化时间可以在10min-2h范围内。在一些实施例中，炭化时间可以在30min-1.8h范围内。在一些实施例中，炭化时间可以在50min-1.5h范围内。在一些实施例中，炭化时间可以在1h-1.2h范围内。
在一些实施例中，可以对经过炭化处理后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行石墨化处理，得到炭纤维毡。在一些实施例中，可以在惰性气氛下进行石墨化处理。
在一些实施例中，石墨化温度可以在1600℃-2600℃范围内。在一些实施例中，石墨化温度可以在1700℃-2400℃范围内。在一些实施例中，石墨化温度可以在1800℃-2200℃范围内。在一些实施例中，石墨化温度可以在1900℃-2100℃范围内。在一些实施例中，石墨化温度可以在2000℃-2050℃范围内。
在一些实施例中，石墨化时间可以在10min-2h范围内。在一些实施例中，石墨化时间可以在20min-1h范围内。在一些实施例中，石墨化时间可以在30min-40min范围内。
本说明书实施例制得的炭纤维毡具有梯度孔隙结构，可以作为气体扩散层用基底层。相比于采用具有二维平面结构的炭纤维纸制备炭纤维纸以进一步制备气体扩散层，本说明书实施例采用无需二次炭化处理且具有三维立体结构的炭纤维预氧化丝毡预制体制备炭纤维毡，不仅可以节约成本，还可以使制得的炭纤维毡具有较高的孔隙率及良好导电性，且由该炭纤维毡制备得到的电池扩散层具有更优异的水气管理能力。
应当注意的是，上述有关流程100的描述仅仅是为了示例和说明，而不限定本说明书的适用范围。对于本领域技术人员来说，在本说明书的指导下可以对流程100进行各种修正和改变。然而，这些修正和改变仍在本说明书的范围之内。例如，可以增加一个或以上未描述的附加操作。
本说明书一些实施例还提供一种炭纤维毡，该炭纤维毡使用前述炭纤维毡的制备方法制得，有关更多技术细节可以参见前述炭纤维毡的制备方法的相关描述，在此不再赘述。
图2是根据本说明书一些实施例所示的示例性电池扩散层的制备方法的流程图。在一些实施例中，该流程200可以由控制系统自动执行。例如，流程200可以通过控制指令实现，控制系统基于控制指令完成流程200的各个操作。在一些实施例中，流程200可以半自动执行。例如，流程200的一个或多个操作可以由操作者手动执行。如图2所示，流程200可以包括下述步骤。
步骤210，对炭纤维毡进行疏水处理，得到疏水炭纤维毡。
关于炭纤维毡的相关描述可以参见本说明书其他部分(例如，图1及其相关描述)，在此不再赘述。
在一些实施例中，对炭纤维毡进行疏水处理可以包括将炭纤维毡浸渍于疏水剂中进行表面疏水处理。在一些实施例中，疏水剂可以包括聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)或聚偏二氟乙烯(PVDF)中的至少一种。在一些实施例中，所述方法还可以包括：对经过疏水处理后的炭纤维毡进行干燥和/或烧结处理，得到疏水且具有梯度孔隙结构的疏水炭纤维毡。在一些实施例中，烧结处理的温度可以在300℃-350℃范围内。在一些实施例中，烧结处理的时间可以在1h-2h范围内。
在一些实施例中，疏水炭纤维毡中疏水剂的含量可以在15％-25％范围内。
步骤220，在疏水炭纤维毡的体密度较大的一侧涂覆微孔层物料，进行处理，得到初制气体扩散层。
在一些实施例中，微孔层物料可以指包括导电炭粉、碳纳米材料、疏水剂和溶剂的均匀分散物。在一些实施例中，导电炭粉可以包括乙炔黑、导电炭黑VXC-72(R)、导电炭黑BP2000或科琴黑中的至少一种。在一些实施例中，碳纳米材料可以包括碳纳米管、氧化石墨烯中的至少一种。在一些实施例中，疏水剂可以包括聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)或聚偏二氟乙烯(PVDF)中的至少一种。在一些实施例中，溶剂可以包括但不限于水、乙醇、异丙醇、丙三醇等。
在一些实施例中，涂覆微孔层物料后的处理可以包括烘干处理和/或烧结处理。在一些实施例中，烧结处理的温度可以在300℃-350℃范围内。在一些实施例中，烧结处理的时间可以在1h-2h范围内。
步骤230，对初制气体扩散层进行激光打孔，制得气体扩散层。
在一些实施例中，激光打孔的孔径可以指孔的当量直径。该孔可以为通孔。由于激光打孔的孔径会影响制得的气体扩散层的性能(例如，水气管理能力、气液传输性能)。例如，激光打孔的孔径过小，会导致气体扩散层的水气管理能力较差。又例如，激光打孔的孔径过大，会影响气体扩散层的气液传输性能。因此，在一些实施例中，为了使气体扩散层具有较优的性能(例如，较优异的水气管理能力和气液传输性能)，激光打孔的孔径需满足预设条件。
在一些实施例中，激光打孔的孔径可以为10μm-100μm。在一些实施例中，激光打孔的孔径可以为20μm-90μm。在一些实施例中，激光打孔的孔径可以为30μm-80μm。在一些实施例中，激光打孔的孔径可以为40μm-70μm。在一些实施例中，激光打孔的孔径可以为50μm-60μm。在一些实施例中，激光打孔的孔径可以为10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm等。
在一些实施例中，激光打孔的孔间距可以指相邻孔的边缘之间的最短距离。
由于激光打孔的孔间距会影响制得的气体扩散层的性能(例如，水气管理能力、气液传输性能)。例如，激光打孔的孔间距过大，会导致气体扩散层的水气管理能力较差。又例如，激光打孔的孔间距过小，会影响气体扩散层的导电性能和机械性能。因此，在一些实施例中，为了使气体扩散层具有较优的性能(例如，较优异的水气管理能力、导电和机械性能)，激光打孔的孔间距需满足预设条件。
在一些实施例中，激光打孔的孔间距可以为1mm-5mm。在一些实施例中，激光打孔的孔间距可以为1.5mm-4.5mm。在一些实施例中，激光打孔的孔间距可以为2mm-4mm。在一些实施例中，激光打孔的孔间距可以为2.5mm-3.5mm。在一些实施例中，激光打孔的孔间距可以为2mm-3mm。在一些实施例中，激光打孔的孔间距可以为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm。
本说明书实施例通过采用具有梯度孔隙结构的炭纤维毡作为基底层制备气体扩散层，且通过激光打孔在气体扩散层上形成具有特定尺寸(孔径为10μm-100μm，孔间距为1mm-5mm)的孔结构，可以提高其水气管理能力。
应当注意的是，上述有关流程200的描述仅仅是为了示例和说明，而不限定本说明书的适用范围。对于本领域技术人员来说，在本说明书的指导下可以对流程200进行各种修正和改变。然而，这些修正和改变仍在本说明书的范围之内。例如，可以增加一个或以上未描述的附加操作。
本说明书一些实施例还提供一种电池，该电池包括使用前述电池扩散层的制备方法制得的电池扩散层，有关更多技术细节可以参见前述电池扩散层的制备方法的相关描述，在此不再赘述。
实施例1
将面密度为20g/m2、体密度为0.18g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体A和面密度为45g/m2、体密度为0.45g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体B分别浸渍于酚醛树脂含量为3wt％的酚醛树脂溶液中进行浸渍处理。取出浸渍处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B，并分别对其进行轧制处理。经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体A的质量的6.50倍。经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体B的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体B的质量的6.54倍。将经过轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A置于底层，将经过轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体B置于经过轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A的上层。将层叠后的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B在240丝、1MPa下热压固化处理30min，得到厚度为160μm的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B的层叠体。在惰性气氛下升温至1000。，对炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B的层叠体进行炭化处理2h。然后升温至2200℃进行石墨化处理2h。制得面密度为75g/m2、平均体积电阻率为8.63mΩ·cm的炭纤维毡。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，将面密度为20g/m2、体密度为0.18g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体A和面密度为45g/m2、体密度为0.45g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体B替换为面密度为60g/m2、体密度为0.31g/cm3的一张炭纤维预氧化丝毡预制体。经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量的6.60倍。制得面密度为75g/m2、平均体积电阻率为9.02mΩ·cm的炭纤维毡。
图3是分别根据实施例1与对比例1制得的炭纤维毡的孔径分布对比图。由图3可知，相比于对比例1，实施例1制得的炭纤维毡具有较广的孔隙分布，大量的孔结构分布在孔径为20μm、25μm、40μm、50μm、60μm、80μm及120μm处，表明该炭纤维毡具有梯度孔隙结构。
对比例1a
与实施例1的不同之处在于，经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体A的质量的4.20倍。经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体B的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体B的质量的4.20倍。制得面密度为78g/m2的炭纤维毡，但其易分层脱落。
对比例1b
与实施例1的不同之处在于，经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体A的质量的10.20倍。经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体B的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体B的质量的10.40倍。制得面密度为95g/m2的炭纤维毡，但其孔隙率为71％，不符合气体扩散层用基底层标准(孔隙率需不小于75％)。
对比例1c
与实施例1的区别在于：采用相同体密度和面密度的炭纤维原纸A和炭纤维原纸B替换炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B。制得面密度为75g/m2、平均体积电阻率为9.02mΩ·cm的炭纤维纸。该炭纤维纸在孔径为30μm、40μm、50μm、60μm、100μm及120μm处分布有孔结构。但是相比炭纤维预氧化毡在浸渍树脂后只进行了一次炭化，炭纤维原纸中的炭纤维在浸渍树脂后经历了第二次炭化，会存在一定的能源浪费。
上述实施例1、对比例1、对比例1a-1c的性能比对如表1所示。
表1实施例1、对比例1、对比例1a-1c性能比对表
Figure BDA0004183291340000121
Figure BDA0004183291340000131
结合本说明书其他实施例及表1可知，将经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量控制在未经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量的预设倍数范围(6倍-9倍)内，可以制得具有较优性能(例如，孔隙率不小于75％)的炭纤维毡。
实施例2
将经湿法抄造得到的面密度为20g/m2、体密度为0.10g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体A、面密度为30g/m2、体密度为0.20g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体B和面密度为50g/m2、体密度为0.45g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体C分别浸渍于酚醛树脂含量为7.5wt％的酚醛树脂溶液中进行浸渍处理。取出浸渍处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A、炭纤维预氧化丝毡预制体B和炭纤维预氧化丝毡预制体C，并分别对其进行轧制处理。经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A的质量、炭纤维预氧化丝毡预预制体B的质量和炭纤维预氧化丝毡预制体C的质量分别为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体A质量的7.50倍、炭纤维预氧化丝毡预制体B的质量的7.54倍以及炭纤维预氧化丝毡预制体C的质量的7.52倍。对轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A、炭纤维预氧化丝毡预制体B和炭纤维预氧化丝毡预预制体C按照体密度从小到大的顺序进行层叠，即A置于最底层，C置于最上层，B置于A与C之间。将层叠后的炭纤维预氧化丝毡预制体A、炭纤维预氧化丝毡预制体B和炭纤维预氧化丝毡预制体C在250℃、0.5MPa下热压固化处理15min，得到厚度为400μm的炭纤维预氧化丝毡预制体A、炭纤维预氧化丝毡预制体B和炭纤维预氧化丝毡预制体C的层叠体。在惰性气氛下升温至1200℃，对层叠体进行炭化处理0.5h。然后升温至2200℃进行石墨化处理0.5h。制得面密度为95g/m2、平均体积电阻率为28.81mΩ·cm的炭纤维毡。
对比例2
与实施例2的不同之处在于，将面密度为20g/m2、体密度为0.10g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体A，面密度为30g/m2、体密度为0.20g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体B和面密度为50g/m2、体密度为0.45g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体C替换为面密度为95g/m2、体密度为0.25g/cm3的一张炭纤维预氧化丝毡预制体。经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量的7.55倍。制得面密度为95g/m2、平均体积电阻率为25.45mΩ·cm的炭纤维毡。
图4是分别根据实施例2与对比例2制得的炭纤维毡的孔径分布对比图。由图4可知，相比于对比例2，实施例2制得的炭纤维毡具有较广的孔隙分布，大量的孔结构分布在孔径为11μm、30μm、35μm、50μm、80μm、110μm及190μm处，表明该炭纤维毡具有梯度孔隙结构。
对比例2a
与实施例2的不同之处在于，控制热压固化处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A、炭纤维预氧化丝毡预制体B和炭纤维预氧化丝毡预制体C的层叠体的厚度为460μm。制得面密度为115g/m2、平均体积电阻率为35.60mΩ·cm的炭纤维毡。由于厚度较大，导致该炭纤维毡欧姆极化增大。
对比例2b
与实施例2的不同之处在于，采用体密度分别为0.15g/cm3和0.45g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B，并控制热压固化处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B的层叠体的厚度为60μm。制得面密度为85g/m2的炭纤维毡。但其孔隙率为65％，不符合气体扩散层用基底层标准(孔隙率需不小于75％)。
上述实施例2、对比例2、对比例2a-2b的性能比对如表2所示。
表2实施例2、对比例2、对比例2a-2b性能比对表
Figure BDA0004183291340000141
结合本说明书其他实施例及表2可知，将经过热压固化后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度控制在预设范围(80μm-400μm)内，可以制得具有较优性能(例如，孔隙率不小于75％及较优导电性)的炭纤维毡。
实施例3
将面密度为10g/m2、体密度为0.1g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体A和面密度为50g/m2、体密度为0.5g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体B分别浸渍于酚醛树脂含量为12.5wt％的酚醛树脂溶液中进行浸渍处理。取出浸渍处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B，并分别对其进行轧制处理。经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B的质量分别为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体A的质量的8.10倍和炭纤维预氧化丝毡预制体B质量的8.15倍。对轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B进行层叠。将层叠后的炭纤维预氧化丝预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B在180℃、5MPa下热压固化处理5min，得到厚度为80μm的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B的层叠体。在惰性气氛下升温至800℃，对炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B的层叠体进行炭化处理10min。然后升温至2000℃进行石墨化处理10min。制得面密度为60g/m2、平均体积电阻率为5.92mΩ·cm的炭纤维毡。
图5是根据实施例3制得的炭纤维毡的孔径分布图。由图5可知，实施例3制得的炭纤维毡具有较广的孔隙分布，大量的孔结构分布在孔隙直径为13μm、23μm、33μm、40μm、45μm、90μm、120μm及180μm处，表明该炭纤维毡具有梯度孔隙结构。
对比例3a
与实施例3的不同之处在于，炭纤维预氧化丝毡预制体A的体密度为0.05g/cm3，炭纤维预氧化丝毡预制体B的体密度为0.7g/cm3。制得面密度为75g/m2的炭纤维毡，但其仅在20μm及120μm处分布有孔隙，不具有明显的梯度孔隙结构。
上述实施例3与对比例3a的性能比对如表3所示。
表3实施例3及对比例3a性能比对表
Figure BDA0004183291340000151
结合本说明书其他实施例及表3可知，层叠相邻的炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度相差较大时，无法形成有效的孔隙梯度。炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度为0.1g/m3-0.5g/m3，且层叠相邻的两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值在0.1g/m3-0.4g/m3范围内，可以制得具有较优性能(例如，较优导电性)的炭纤维毡。
实施例4
将面密度为30g/m2、体密度为0.15g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体A和面密度为60g/m2、体密度为0.44g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体B分别浸渍于酚醛树脂含量为7.5wt％的酚醛树脂溶液中进行浸渍处理。取出浸渍处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B，并分别对其进行轧制处理。经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B的质量分别为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体A的质量的7.40倍和炭纤维预氧化丝毡预制体B的质量的7.47倍。对轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B进行层叠。将层叠后的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B在220℃、1MPa下热压固化处理20min，得到厚度为250μm的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B的层叠体。在惰性气氛下升温至1100℃，对炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B的层叠体进行炭化处理1h。然后升温至1900℃进行石墨化处理1h。制得面密度为80g/m2、平均体积电阻率为17.41mΩ·cm的炭纤维毡，大量的孔结构分布在孔隙直径为15μm、25μm、33μm、45μm、90μm及120μm处，具有明显的梯度孔隙结构。
实施例5
将面密度为20g/m2、体密度为0.10g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体A和面密度为20g/m2、体密度为0.2g/cm3的炭纤维预氧化丝毡预制体B分别浸渍于环氧树脂含量为15wt％的环氧树脂溶液中进行浸渍处理。取出浸渍处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B，并分别对其进行轧制处理。经过浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A的质量和炭纤维预氧化丝毡预制体B的质量分别为未经过浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体A的质量的8.65倍和炭纤维预氧化丝毡预预制体B的质量的8.67倍。对轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B进行层叠。将层叠后的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B在170℃、3MPa下热压固化处理10min，得到厚度为120μm的炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B的层叠体。在惰性气氛下升温至900℃，对炭纤维预氧化丝毡预制体A和炭纤维预氧化丝毡预制体B的层叠体进行炭化处理10min。然后升温至1600℃进行石墨化处理10min。制得面密度为40g/m2、平均体积电阻率为13.66mΩ·cm的炭纤维毡，大量的孔结构分布在孔隙直径为15μm、30μm、40μm、60μm、90μm及150μm处，具有明显的梯度孔隙结构。
实施例6
将实施例1制得的炭纤维毡置于PTFE溶液中浸渍5min，烘干后置于350℃烧结1h，得到PTFE含量为20％的疏水炭纤维毡。在疏水炭纤维毡的B面用刮刀涂覆一层由水做溶剂，乙炔黑与碳纳米管的质量比为9:1，炭(乙炔黑+碳纳米管)与PTFE的质量比为7:3构成的微孔层物料，并在350℃烧结1h，得到基底层为梯度孔隙炭纤维毡、微孔层炭载量为2.35mg/cm2的气体扩散层。对气体扩散层进行激光打孔，控制孔径为10μm，孔间距为1mm，且孔遍布气体扩散层。
对比例6
与实施例6的区别在于：得到基底层为梯度孔隙炭纤维毡、微孔层炭载量为2.31mg/cm2的气体扩散层。未对气体扩散层进行激光打孔处理。
对比例6a
与实施例6的区别在于：采用对比例1制得的炭纤维毡，得到基底层为无梯度孔隙的炭纤维毡、微孔层炭载量为2.31mg/cm2的气体扩散层。
分别将实施例6、对比例6、对比例6a制得的气体扩散层与商品化的催化剂/质子交换膜组件(CCM)组装单电池。组装时，微孔层侧靠近CCM。测试单电池温度为75℃，背压为1.5atm，阳极和阴极气体的相对加湿度均为100％，催化层Pt载量为0.4mg/cm2，有效面积为25cm2，得到的单电池极化曲线(100％加湿度)如图6所示。由图6可知，实施例6的气体扩散层组装单电池具有更佳的电池性能，表现出更为优异的气液传输性能。在大电流密度下具有更佳的排水性能，最大功率密度达约1.46W/cm2。而对比例6和对比例6a的气体扩散层组装单电池在大电流密度下均发生了水淹现象，电池性能下降迅速。对比例6与实施例6的最大功率密度分别约为0.91W/cm2、1.05W/cm2，电池极化曲线表现较差。
实施例7
将实施例1制得的炭纤维毡置于FEP溶液中浸渍5min，烘干后置于300℃烧结1h，得到FEP含量为18％的疏水炭纤维毡。在疏水炭纤维毡的B面用刮刀涂覆一层由乙醇做溶剂，导电炭黑VXC-72(R)与氧化石墨烯质量比为7:3，炭(导电炭黑VXC-72(R)+氧化石墨烯)与FEP的质量比为7:3构成的微孔层物料，并在350℃烧结1h，得到基底层为梯度孔隙炭纤维毡、微孔层炭载量为2.20mg/cm2的气体扩散层。对气体扩散层进行激光打孔，控制孔径为100μm，孔间距为5mm，且孔遍布气体扩散层。
对比例7
与实施例7的区别在于：得到基底层为梯度孔隙炭纤维毡、微孔层炭载量为2.23mg/cm2的气体扩散层。未对气体扩散层进行激光打孔处理。
分别将实施例7、对比例7制得的气体扩散层与商品化的催化剂/质子交换膜组件(CCM)组装单电池。组装时，微孔层侧靠近CCM。测试单电池温度为75℃，背压为1.5atm，阳极和阴极气体的相对加湿度均为100％，催化层Pt载量为0.4mg/cm2，有效面积为25cm2，得到的单电池极化曲线(100％加湿度)如图7所示。由图7可知，实施例7的气体扩散层组装单电池具有更佳的电池性能，其孔结构更有助于气液传输。在大电流密度下具有更佳的排水性能，最大功率密度达约1.40W/cm2。而对比例7的最大功率密度仅为约0.98W/cm2。
对比例7a
与实施例7的区别在于：采用实施例1c制得的炭纤维纸作为基底层。得到基底层为梯度孔隙炭纤维纸、微孔层炭载量为2.23mg/cm2的气体扩散层。测得组装单电池的最大功率密度约为1.08W/cm2。
实施例8
将实施例1制得的炭纤维毡置于FEP溶液中浸渍5min，烘干后置于300℃烧结2h，得到FEP含量为18％的疏水炭纤维毡。在疏水炭纤维毡的B面用刮刀涂覆一层由乙二醇做溶剂，科琴黑与碳纳米管质量比为1:4，炭(科琴黑+碳纳米管)与FEP的质量比为7:3构成的微孔层物料，并在350℃烧结1h，得到基底层为梯度孔隙炭纤维毡、微孔层炭载量为2.30mg/cm2的气体扩散层。对气体扩散层进行激光打孔，控制孔径为50μm，孔间距为2mm，且孔遍布气体扩散层。
对比例8
与实施例8的区别在于，得到基底层为梯度孔隙炭纤维毡、微孔层炭载量为2.32mg/cm2的气体扩散层。未对气体扩散层进行激光打孔处理。
分别将实施例8、对比例8制得的气体扩散层与商品化的催化剂/质子交换膜组件(CCM)组装单电池。组装时，微孔层侧靠近CCM。测试单电池温度为75℃，背压为1.5atm，阳极和阴极气体的相对加湿度均为100％，催化层Pt载量为0.4mg/cm2，有效面积为25cm2，得到的单电池极化曲线(100％加湿度)如图8所示。由图8可知，实施例8的气体扩散层组装单电池具有更佳的电池性能，其孔结构更有助于气液传输。在大电流密度下具有更佳的排水性能，最大功率密度达约1.53W/cm2。而对比例8的最大功率密度仅为约0.84W/cm2。
实施例9
将实施例1制得的炭纤维毡置于PTFE溶液中浸渍5min，烘干后置于350℃烧结2h，得到PTFE含量为23％的疏水炭纤维毡。在疏水炭纤维毡的B面用刮刀涂覆一层由异丙醇做溶剂，导电炭黑BP2000与氧化石墨烯质量比为1:1，炭(导电炭黑BP2000+氧化石墨烯)与PVDF质量比为7:3构成的微孔层物料，并在350℃烧结1h，得到基底层为梯度孔隙炭纤维毡、微孔层炭载量为2.42mg/cm2的气体扩散层。对气体扩散层进行激光打孔，控制孔径为25μm，孔间距为1mm，且孔遍布气体扩散层。
将实施例9制得的气体扩散层与商品化的催化剂/质子交换膜组件(CCM)组装单电池。组装时，微孔层侧靠近CCM。测试单电池温度为75℃，背压为1.5atm，阳极和阴极气体的相对加湿度均为100％，催化层Pt载量为0.4mg/cm2，有效面积为25cm2。测得单电池的最大功率密度达1.62W/cm2。
对比例9
与实施例9不同的是，激光打孔的孔径为150μm，孔间距为6mm。实验发现，在大电流密度下，发生水淹现象，最大功率密度仅约为0.93W/cm2。
表4是实施例6-9、对比例6-9以及对比例6a-7a的气体扩散层及单电池性能对比表。
表4实施例6-9、对比例6-9以及对比例6a-7a的气体扩散层及单电池性能对比表
Figure BDA0004183291340000191
结合表4，通过比对实施例6与对比例6a可知，相比于采用无梯度孔隙结构的炭纤维毡作为基底层，采用具有梯度孔隙的炭纤维毡作为基底层可以得到最大功率密度达1.46W/cm2的单电池。通过比对实施例6与对比例6、实施例7与对比例7、实施例8与对比例8、实施例9与对比例9可知，对初制气体扩散层进行激光打孔，且孔径和孔间距控制在预设范围(孔径为10μm-100μm，孔间距为1mm-5mm)内，可以得到具有更优的水气管理能力的单电池。通过比对实施例7与对比例7a可知，相比于采用具有梯度孔隙结构的炭纤维纸得到的单电池，采用具有梯度孔隙结构的炭纤维毡得到的单电池具有更优的水气管理能力，即具有更优的水气管理能力。
本说明书实施例组装单电池的最大功率密度可以为1.4W/cm2-1.7W/cm2。在一些实施例中，单电池的最大功率密度可以为1.45W/cm2-1.7W/cm2。在一些实施例中，单电池的最大功率密度可以为1.5W/cm2-1.7W/cm2。在一些实施例中，单电池的最大功率密度可以为1.55W/cm2-1.7W/cm2。在一些实施例中，单电池的最大功率密度可以为1.6W/cm2-1.7W/cm2。在一些实施例中，单电池的最大功率密度可以达1.40W/cm2、1.46W/cm2、1.50W/cm2、1.53W/cm2、1.60W/cm2、1.62W/cm2、1.65W/cm2、1.7W/cm2。
需要说明的是，本说明书实施例中热压固化后的层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度由TECLOCK SM-114测厚仪测得。本说明书实施例中体积电阻率指平面方向的体积电阻率，依照GB/T24525—2009GB规定的炭素材料电阻率测定方法测得。本说明书实施例孔径分布依照GB/T 21650.1-2008固体材料孔径分布测定方法测得。上述表格仅列出了具有明显差异且对实验结果有较大影响的参数。
本说明书实施例可能带来的有益效果包括但不限于：(1)通过将至少两种体密度不相等的炭纤维预氧化丝毡预制体进行层叠并处理，可以制得具有梯度孔隙结构的炭纤维毡；(2)本说明书实施例提供的具有梯度孔隙结构的炭纤维毡制备工艺简单，不会发生炭纤维混溶现象，易于在工业上实施；(3)本说明书实施例通过控制经浸渍处理和轧制处理后的炭纤维预氧化丝毡预制体的质量为未经浸渍处理和轧制处理的炭纤维预氧化丝毡预制体质量的6-9倍，可以避免层叠后至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体之间的接触界面出现热固性树脂分布不均或热固性树脂聚集的现象，进一步可以使制得的炭纤维毡具有较优的性能；(4)本说明书实施例制得的具有梯度孔隙结构及规则多孔的气体扩散层组装的单电池具有较佳的电池性能，其基底层炭纤维毡的梯度孔隙结构、以及经激光处理得到的规则多孔均有利于气液传输，具有较优异的气液传输性能，在较大电流密度(例如，1000mA/cm2-2400 mA/cm2)下具有较佳的排水性能。
需要说明的是，不同实施例可能产生的有益效果不同，在不同的实施例里，可能产生的有益效果可以是以上任意一种或几种的组合，也可以是其他任何可能获得的有益效果。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。
同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本说明书的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
此外，除非权利要求中明确说明，本说明书所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本说明书流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本说明书实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。
同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本说明书一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
针对本说明书引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本说明书作为参考。与本说明书内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本说明书权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本说明书中的)也除外。需要说明的是，如果本说明书附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本说明书所述内容有不一致或冲突的地方，以本说明书的描述、定义和/或术语的使用为准。
最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。

Claims (10)

1.一种炭纤维毡的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
对至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体中的每种所述炭纤维预氧化丝毡预制体进行浸渍处理及轧制处理，其中，
所述至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度不相等；
将经过所述轧制处理后的所述至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行层叠；以及
对层叠后的所述至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行处理，得到所述炭纤维毡。
2.根据权利要求1所述的炭纤维毡的制备方法，其特征在于，
所述至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度为0.1g/m3-0.5g/m3，
进行所述层叠的相邻的两种所述炭纤维预氧化丝毡预制体的体密度的差值为0.1g/m3-0.4g/m3。
3.根据权利要求1所述的炭纤维毡的制备方法，其特征在于，经过所述浸渍处理和所述轧制处理后的所述炭纤维预氧化丝毡预制体的质量为未经过所述浸渍处理和所述轧制处理的所述炭纤维预氧化丝毡预制体的质量的6-9倍。
4.根据权利要求1所述的炭纤维毡的制备方法，其特征在于，所述将经过所述轧制处理后的所述至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体进行层叠包括：
将经过所述轧制处理后的所述至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体按体密度从小到大或从大到小的顺序进行层叠。
5.根据权利要求1所述的炭纤维毡的制备方法，其特征在于，
所述处理包括热压固化、炭化以及石墨化，
经过所述热压固化后的所述层叠后的至少两种炭纤维预氧化丝毡预制体的厚度为80μm-400μm。
6.一种炭纤维毡，其特征在于，使用如权利要求1-5中任一项所述的炭纤维毡的制备方法制得。
7.一种电池扩散层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
对权利要求6所述的炭纤维毡进行疏水处理，得到疏水炭纤维毡；
在所述疏水炭纤维毡的体密度较大的一侧涂覆微孔层物料，进行处理，得到初制气体扩散层；以及
对所述初制气体扩散层进行激光打孔，制得所述电池扩散层。
8.根据权利要求7所述的电池扩散层的制备方法，其特征在于，所述激光打孔的孔径为10μm-100μm。
9.根据权利要求7所述的电池扩散层的制备方法，其特征在于，所述激光打孔的孔间距为1mm-5mm。
10.一种电池，其特征在于，所述电池包括如权利要求7-9中任一项所述的电池扩散层的制备方法制得的电池扩散层。
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