中國(guó)粉體網(wǎng)訊 燃料電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，因高效、穩(wěn)定、環(huán)保而日益受到重視。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是其中研究進(jìn)展最快的一類，具有工作溫度低、能量轉(zhuǎn)化效率高、能量密度高、啟動(dòng)快、零排放等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)清潔能源的理想選擇之一，在新能源、航天軍工、國(guó)防等領(lǐng)域的應(yīng)用已引起高度關(guān)注，也成為了眾多學(xué)者和專家的研究熱點(diǎn)之一。
氣體擴(kuò)散層（GDL）是PEMFC的重要組件之一，起到支撐催化劑層、傳輸氣體、導(dǎo)出電流、排出水的作用。GDL材料需要透氣性好、電阻率低、具有一定的機(jī)械強(qiáng)度及良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。用紡織或抄紙成型技術(shù)，以及碳化石墨化等處理工藝制成的碳紙，具有質(zhì)量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙均勻且強(qiáng)度高、厚度可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，是目前制備GDL的首選材料。
碳紙（圖源：上海河森）
碳紙是一種碳元素含量高達(dá)90%的復(fù)合材料，主要由碳纖維構(gòu)成，碳纖維具有良好的導(dǎo)電性，所以碳紙也具有高導(dǎo)電性的特點(diǎn)。碳紙中碳纖維以無(wú)序的形式排列，所以碳紙孔隙率大小適宜、透氣性良好。但是碳紙存在缺陷，碳紙整體的機(jī)械強(qiáng)度較低、脆性較大，在使用過程中容易發(fā)生斷裂。碳紙的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)主要由國(guó)外掌握，目前國(guó)內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域存在技術(shù)空白，鮮有公司可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。
碳紙的性能要求
碳紙被用作質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層的基體材料，具有良好的透氣性能、優(yōu)異的導(dǎo)電性能、合適的孔隙率和孔徑分布以及優(yōu)異的力學(xué)性能。碳紙要保證氣體和反應(yīng)產(chǎn)物順利地透過并且均勻地?cái)U(kuò)散到電極上，有利于電極上發(fā)生反應(yīng)，提高質(zhì)子交換膜燃料電池的工作效率。
碳紙還必須具有良好的導(dǎo)電性以保證電子可以通過碳紙傳輸?shù)酱呋瘎⿲印Ｌ技堉饕翘祭w維構(gòu)成的，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，碳紙一般用電阻率來(lái)表征其導(dǎo)電性，電阻率大小與導(dǎo)電性成反比，電阻率越大，導(dǎo)電性能越差，越有利于電極反應(yīng)，提高質(zhì)子交換膜燃料電池的輸出功率。
碳紙要具備一定的力學(xué)性能，以便于電池組裝過程中受到壓力不會(huì)發(fā)生裂痕，其強(qiáng)度直接影響到質(zhì)子交換膜燃料電池的使用壽命。碳紙做氣體擴(kuò)散層使用還需要一些后續(xù)處理手段，在制備膜電極組件和組裝雙極板時(shí)都需要承受一定的壓力，這就要求碳紙具有一定的抗壓性能，否則碳紙會(huì)產(chǎn)生開裂，影響其使用壽命。
碳紙必須控制反應(yīng)氣體從流場(chǎng)到催化劑層的傳輸，所以要求它必須是多孔的，碳紙的碳纖維成無(wú)規(guī)則排列，具有多孔結(jié)構(gòu)，碳紙合適的孔結(jié)構(gòu)有利于反應(yīng)氣體的通過，提高電池性能。
碳紙還應(yīng)具備一定的尺寸大小和表觀密度，厚度對(duì)碳紙性能有一定影響，碳紙過厚時(shí)，傳輸通道過長(zhǎng)，影響了傳輸速率影響到電池的效率。碳紙較脆，容易在使用過程中受到壓力產(chǎn)生裂紋，柔韌性更好的碳紙更有利于加工，提高使用壽命。碳紙需要具備疏水性，因?yàn)樵谌剂想姵毓ぷ鬟^程中陰極會(huì)生成水，液態(tài)水要通過氣體擴(kuò)散層排出，所以要求碳紙具備疏水性能。
對(duì)碳紙進(jìn)行疏水改性的方法有浸漬法、化學(xué)接枝法和等離子體沉積工藝等，浸漬法改性的碳紙更加均勻且工藝簡(jiǎn)單，所以浸漬法是負(fù)載疏水試劑最常用的方法。
碳紙的制備
碳紙是一種復(fù)合材料，通常造紙方法主要分為干法造紙與濕法造紙。干法造紙是采用空氣作為分散劑，通過氣流成網(wǎng)技術(shù)制備碳紙坯料，使用粘結(jié)劑在成形網(wǎng)上形成纖維并固結(jié)成紙。濕法造紙是通過水系分散劑將碳纖維分散，將碳纖維抄造再經(jīng)過與粘結(jié)劑復(fù)合，經(jīng)過高溫處理過程得到碳紙。干法造紙制備的碳紙柔軟且機(jī)械強(qiáng)度高，生產(chǎn)過程中不會(huì)使用到水，更加清潔環(huán)保，但是制備的碳紙疏松、均勻性差。所以，目前通常采用濕法造紙。
碳紙的濕法制備流程
碳纖維中的碳含量高于90%，聚丙烯腈（PAN）碳纖維由于強(qiáng)度大，產(chǎn)量高，而應(yīng)用最為廣泛。碳纖維表面基團(tuán)較少，且親水性較差，不易分散，在分散過程中容易出現(xiàn)團(tuán)聚、沉降的現(xiàn)象。因此在濕法成型過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注碳纖維是否分散均勻，這將直接影響最終制得碳紙的性能。
由于碳纖維成紙機(jī)械性能較差，常需要粘結(jié)劑來(lái)增強(qiáng)碳紙的機(jī)械強(qiáng)度。酚醛樹脂的殘?zhí)柯瘦^高，因此常被用作粘結(jié)劑。但是酚醛樹脂碳紙紙坯的相容性差，這會(huì)導(dǎo)致酚醛樹脂在碳紙紙坯上分布不均勻，最終制得的碳紙也不均勻。
碳纖維紙坯和粘結(jié)劑復(fù)合在一起后，在特定溫度范圍下下固化一段時(shí)間，得到固化成型的碳紙。將固化成型后的碳紙?jiān)诟邷叵逻M(jìn)行處理，得到最終的石墨化碳紙。
碳紙的研究進(jìn)展
目前，燃料電池作氣體擴(kuò)散層用碳紙生產(chǎn)的先進(jìn)技術(shù)由國(guó)外掌握。燃料電池用碳紙購(gòu)買都由國(guó)外進(jìn)口，質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用與普及受著碳紙價(jià)格高昂的制約。
由于碳紙的優(yōu)異性能，激起了我國(guó)研究學(xué)者的研究熱情，開始對(duì)碳紙的生產(chǎn)過程進(jìn)行了初步的探索，但對(duì)于作為燃料電池氣體擴(kuò)散層的碳紙的研究仍處在初級(jí)階段。我國(guó)對(duì)碳紙的研發(fā)主要集中于中南大學(xué)、武漢理工大學(xué)以及北京化工大學(xué)等高校，國(guó)內(nèi)企業(yè)從事研究和生產(chǎn)氣體擴(kuò)散層的有上海河森電氣、濟(jì)平新能源、臺(tái)灣碳能、江蘇氫電等。
東華大學(xué)的周兆云等人采用PAN基碳纖維為原料，碳納米管為輔助原料進(jìn)行造紙，采用浸漬，熱壓，碳化石墨化后浸漬PTFE乳液后在進(jìn)行熱處理的工藝，制備出了符合燃料電池用碳紙。
東華大學(xué)的王炯等人采用傳統(tǒng)的濕法造紙，以聚丙烯酰胺（PAM）為分散劑，在碳纖維制備完成后，碳納米管和碳納米纖維通過氣相沉積在碳紙的表面上生長(zhǎng)，并且實(shí)現(xiàn)了期望的改性效果。
制備同時(shí)具有高電導(dǎo)率，合適的孔隙率、平整度等優(yōu)異特點(diǎn)，并且碳纖維分布均勻并且性能穩(wěn)定的碳紙是目前國(guó)內(nèi)研究學(xué)者的研究熱點(diǎn)。
資料來(lái)源：
袁曉君等：添加氣相生長(zhǎng)碳纖維對(duì)改善碳紙性能的研究
李夢(mèng)佳：碳紙的疏水改性及其性能研究
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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