中國粉體網訊 燃料電池是將化學能直接轉化為電能的發電裝置，因高效、穩定、環保而日益受到重視。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定性和熱穩定性。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、厚度可根據要求進行調整、性能穩定的特點，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生斷裂。碳紙的先進生產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化生產。
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、優異的導電性能、合適的孔隙率和孔徑分布以及優異的力學性能。碳紙要保證氣體和反應產物順利地透過并且均勻地擴散到電極上，有利于電極上發生反應，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到催化劑層。碳紙主要是碳纖維構成的，具有優異的導電性，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，通過氣流成網技術制備碳紙坯料，使用粘結劑在成形網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，將碳纖維抄造再經過與粘結劑復合，經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，生產過程中不會使用到水，更加清潔環保，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團聚、沉降的現象。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。酚醛樹脂的殘炭率較高，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，國內企業從事研究和生產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、平整度等優異特點，并且碳纖維分布均勻并且性能穩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
（中國粉體網編輯整理/平安）
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