中国粉体网讯 燃料电池是将化学能直接转化为电能的发电装置，因高效、稳定、环保而日益受到重视。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是其中研究进展最快的一类，具有工作温度低、能量转化效率高、能量密度高、启动快、零排放等优点，是未来清洁能源的理想选择之一，在新能源、航天军工、国防等领域的应用已引起高度关注，也成为了众多学者和专家的研究热点之一。
气体扩散层（GDL）是PEMFC的重要组件之一，起到支撑催化剂层、传输气体、导出电流、排出水的作用。GDL材料需要透气性好、电阻率低、具有一定的机械强度及良好的化学稳定性和热稳定性。用纺织或抄纸成型技术，以及碳化石墨化等处理工艺制成的碳纸，具有质量轻、表面平整、耐腐蚀、孔隙均匀且强度高、厚度可根据要求进行调整、性能稳定的特点，是目前制备GDL的首选材料。
碳纸（图源：上海河森）
碳纸是一种碳元素含量高达90%的复合材料，主要由碳纤维构成，碳纤维具有良好的导电性，所以碳纸也具有高导电性的特点。碳纸中碳纤维以无序的形式排列，所以碳纸孔隙率大小适宜、透气性良好。但是碳纸存在缺陷，碳纸整体的机械强度较低、脆性较大，在使用过程中容易发生断裂。碳纸的先进生产技术主要由国外掌握，目前国内在相关领域存在技术空白，鲜有公司可以进行工业化生产。
碳纸的性能要求
碳纸被用作质子交换膜燃料电池气体扩散层的基体材料，具有良好的透气性能、优异的导电性能、合适的孔隙率和孔径分布以及优异的力学性能。碳纸要保证气体和反应产物顺利地透过并且均匀地扩散到电极上，有利于电极上发生反应，提高质子交换膜燃料电池的工作效率。
碳纸还必须具有良好的导电性以保证电子可以通过碳纸传输到催化剂层。碳纸主要是碳纤维构成的，具有优异的导电性，碳纸一般用电阻率来表征其导电性，电阻率大小与导电性成反比，电阻率越大，导电性能越差，越有利于电极反应，提高质子交换膜燃料电池的输出功率。
碳纸要具备一定的力学性能，以便于电池组装过程中受到压力不会发生裂痕，其强度直接影响到质子交换膜燃料电池的使用寿命。碳纸做气体扩散层使用还需要一些后续处理手段，在制备膜电极组件和组装双极板时都需要承受一定的压力，这就要求碳纸具有一定的抗压性能，否则碳纸会产生开裂，影响其使用寿命。
碳纸必须控制反应气体从流场到催化剂层的传输，所以要求它必须是多孔的，碳纸的碳纤维成无规则排列，具有多孔结构，碳纸合适的孔结构有利于反应气体的通过，提高电池性能。
碳纸还应具备一定的尺寸大小和表观密度，厚度对碳纸性能有一定影响，碳纸过厚时，传输通道过长，影响了传输速率影响到电池的效率。碳纸较脆，容易在使用过程中受到压力产生裂纹，柔韧性更好的碳纸更有利于加工，提高使用寿命。碳纸需要具备疏水性，因为在燃料电池工作过程中阴极会生成水，液态水要通过气体扩散层排出，所以要求碳纸具备疏水性能。
对碳纸进行疏水改性的方法有浸渍法、化学接枝法和等离子体沉积工艺等，浸渍法改性的碳纸更加均匀且工艺简单，所以浸渍法是负载疏水试剂最常用的方法。
碳纸的制备
碳纸是一种复合材料，通常造纸方法主要分为干法造纸与湿法造纸。干法造纸是采用空气作为分散剂，通过气流成网技术制备碳纸坯料，使用粘结剂在成形网上形成纤维并固结成纸。湿法造纸是通过水系分散剂将碳纤维分散，将碳纤维抄造再经过与粘结剂复合，经过高温处理过程得到碳纸。干法造纸制备的碳纸柔软且机械强度高，生产过程中不会使用到水，更加清洁环保，但是制备的碳纸疏松、均匀性差。所以，目前通常采用湿法造纸。
碳纸的湿法制备流程
碳纤维中的碳含量高于90%，聚丙烯腈（PAN）碳纤维由于强度大，产量高，而应用最为广泛。碳纤维表面基团较少，且亲水性较差，不易分散，在分散过程中容易出现团聚、沉降的现象。因此在湿法成型过程中，需要重点关注碳纤维是否分散均匀，这将直接影响最终制得碳纸的性能。
由于碳纤维成纸机械性能较差，常需要粘结剂来增强碳纸的机械强度。酚醛树脂的残炭率较高，因此常被用作粘结剂。但是酚醛树脂碳纸纸坯的相容性差，这会导致酚醛树脂在碳纸纸坯上分布不均匀，最终制得的碳纸也不均匀。
碳纤维纸坯和粘结剂复合在一起后，在特定温度范围下下固化一段时间，得到固化成型的碳纸。将固化成型后的碳纸在高温下进行处理，得到最终的石墨化碳纸。
碳纸的研究进展
目前，燃料电池作气体扩散层用碳纸生产的先进技术由国外掌握。燃料电池用碳纸购买都由国外进口，质子交换膜燃料电池的应用与普及受着碳纸价格高昂的制约。
由于碳纸的优异性能，激起了我国研究学者的研究热情，开始对碳纸的生产过程进行了初步的探索，但对于作为燃料电池气体扩散层的碳纸的研究仍处在初级阶段。我国对碳纸的研发主要集中于中南大学、武汉理工大学以及北京化工大学等高校，国内企业从事研究和生产气体扩散层的有上海河森电气、济平新能源、台湾碳能、江苏氢电等。
东华大学的周兆云等人采用PAN基碳纤维为原料，碳纳米管为辅助原料进行造纸，采用浸渍，热压，碳化石墨化后浸渍PTFE乳液后在进行热处理的工艺，制备出了符合燃料电池用碳纸。
东华大学的王炯等人采用传统的湿法造纸，以聚丙烯酰胺（PAM）为分散剂，在碳纤维制备完成后，碳纳米管和碳纳米纤维通过气相沉积在碳纸的表面上生长，并且实现了期望的改性效果。
制备同时具有高电导率，合适的孔隙率、平整度等优异特点，并且碳纤维分布均匀并且性能稳定的碳纸是目前国内研究学者的研究热点。
资料来源：
袁晓君等：添加气相生长碳纤维对改善碳纸性能的研究
李梦佳：碳纸的疏水改性及其性能研究
（中国粉体网编辑整理/平安）
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