中國粉體網(wǎng)訊 燃料電池是將化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置，因高效、穩(wěn)定、環(huán)保而日益受到重視。質子交換膜燃料電池（PEMFC）是其中研究進展最快的一類，具有工作溫度低、能量轉化效率高、能量密度高、啟動快、零排放等優(yōu)點，是未來清潔能源的理想選擇之一，在新能源、航天軍工、國防等領域的應用已引起高度關注，也成為了眾多學者和專家的研究熱點之一。
氣體擴散層（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、具有一定的機械強度及良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。用紡織或抄紙成型技術，以及碳化石墨化等處理工藝制成的碳紙，具有質量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙均勻且強度高、厚度可根據(jù)要求進行調整、性能穩(wěn)定的特點，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90%的復合材料，主要由碳纖維構成，碳纖維具有良好的導電性，所以碳紙也具有高導電性的特點。碳紙中碳纖維以無序的形式排列，所以碳紙孔隙率大小適宜、透氣性良好。但是碳紙存在缺陷，碳紙整體的機械強度較低、脆性較大，在使用過程中容易發(fā)生斷裂。碳紙的先進生產(chǎn)技術主要由國外掌握，目前國內在相關領域存在技術空白，鮮有公司可以進行工業(yè)化生產(chǎn)。
碳紙的性能要求
碳紙被用作質子交換膜燃料電池氣體擴散層的基體材料，具有良好的透氣性能、優(yōu)異的導電性能、合適的孔隙率和孔徑分布以及優(yōu)異的力學性能。碳紙要保證氣體和反應產(chǎn)物順利地透過并且均勻地擴散到電極上，有利于電極上發(fā)生反應，提高質子交換膜燃料電池的工作效率。
碳紙還必須具有良好的導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維構成的，具有優(yōu)異的導電性，碳紙一般用電阻率來表征其導電性，電阻率大小與導電性成反比，電阻率越大，導電性能越差，越有利于電極反應，提高質子交換膜燃料電池的輸出功率。
碳紙要具備一定的力學性能，以便于電池組裝過程中受到壓力不會發(fā)生裂痕，其強度直接影響到質子交換膜燃料電池的使用壽命。碳紙做氣體擴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，否則碳紙會產(chǎn)生開裂，影響其使用壽命。
碳紙必須控制反應氣體從流場到催化劑層的傳輸，所以要求它必須是多孔的，碳紙的碳纖維成無規(guī)則排列，具有多孔結構，碳紙合適的孔結構有利于反應氣體的通過，提高電池性能。
碳紙還應具備一定的尺寸大小和表觀密度，厚度對碳紙性能有一定影響，碳紙過厚時，傳輸通道過長，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，因為在燃料電池工作過程中陰極會生成水，液態(tài)水要通過氣體擴散層排出，所以要求碳紙具備疏水性能。
對碳紙進行疏水改性的方法有浸漬法、化學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單，所以浸漬法是負載疏水試劑最常用的方法。
碳紙的制備
碳紙是一種復合材料，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)技術制備碳紙坯料，使用粘結劑在成形網(wǎng)上形成纖維并固結成紙。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)過與粘結劑復合，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械強度高，生產(chǎn)過程中不會使用到水，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）碳纖維由于強度大，產(chǎn)量高，而應用最為廣泛。碳纖維表面基團較少，且親水性較差，不易分散，在分散過程中容易出現(xiàn)團聚、沉降的現(xiàn)象。因此在濕法成型過程中，需要重點關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。
由于碳纖維成紙機械性能較差，常需要粘結劑來增強碳紙的機械強度。酚醛樹脂的殘?zhí)柯瘦^高，因此常被用作粘結劑。但是酚醛樹脂碳紙紙坯的相容性差，這會導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。
碳纖維紙坯和粘結劑復合在一起后，在特定溫度范圍下下固化一段時間，得到固化成型的碳紙。將固化成型后的碳紙在高溫下進行處理，得到最終的石墨化碳紙。
碳紙的研究進展
目前，燃料電池作氣體擴散層用碳紙生產(chǎn)的先進技術由國外掌握。燃料電池用碳紙購買都由國外進口，質子交換膜燃料電池的應用與普及受著碳紙價格高昂的制約。
由于碳紙的優(yōu)異性能，激起了我國研究學者的研究熱情，開始對碳紙的生產(chǎn)過程進行了初步的探索，但對于作為燃料電池氣體擴散層的碳紙的研究仍處在初級階段。我國對碳紙的研發(fā)主要集中于中南大學、武漢理工大學以及北京化工大學等高校，國內企業(yè)從事研究和生產(chǎn)氣體擴散層的有上海河森電氣、濟平新能源、臺灣碳能、江蘇氫電等。
東華大學的周兆云等人采用PAN基碳纖維為原料，碳納米管為輔助原料進行造紙，采用浸漬，熱壓，碳化石墨化后浸漬PTFE乳液后在進行熱處理的工藝，制備出了符合燃料電池用碳紙。
東華大學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，并且實現(xiàn)了期望的改性效果。
制備同時具有高電導率，合適的孔隙率、平整度等優(yōu)異特點，并且碳纖維分布均勻并且性能穩(wěn)定的碳紙是目前國內研究學者的研究熱點。
資料來源：
袁曉君等：添加氣相生長碳纖維對改善碳紙性能的研究
李夢佳：碳紙的疏水改性及其性能研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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