氢燃料电池用碳纤维纸的工艺优化及性能

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）被认为是新能源动力终极解决方案。气体扩散层（GDL）是PEMFC中的关键组件，起到导电、传热、透气、排水的作用。碳纤维纸是目前GDL首选的商业化材料。以湿法成型为基础，研究分散剂种类、碳纤维长径比、树脂浸渍和碳化石墨化工艺对碳纤维纸结构与性能的影响规律。结果表明，聚氧化乙烯（PEO）与羟甲基纤维素（HMC）复配为最佳的分散剂体系。6 mm和3 mm短切碳纤维的最佳配比为80%和20%。采用真空浸渍法浸渍酚醛树脂能显著提升碳纤维纸的树脂碳残留量及导电性。碳化石墨化温度的提高有利于碳纤维纸的孔隙率和导电性增加，当热处理温度为2400 ℃时，碳纤维纸的孔隙率为82.5%，电阻率为8.1 mΩ·cm，拉伸强度为29.8 MPa。

质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cells, PEMFC）作为氢燃料电池的一类，拥有出色的功率密度和能量转化效率、快速响应、环境友好等优点，被认为是新能源终极解决方案。气体扩散层（GDL）作为PEMFC 中的关键部件要求具有丰富的孔隙、优良的导电、导热与耐腐蚀性能，而碳纤维纸是目前应用最广泛的能满足PEMFC气体扩散层要求的材料。

碳纤维纸的制备工艺包含湿法成型、树脂浸渍、热压固化、碳化石墨化等部分，每部分的作用机制、与碳纤维纸特性的关系以及工艺参数的调控都需要仔细研究。湿法成型的前提是碳纤维在水中均匀分散，而碳纤维的表面缺乏官能团，表面能低且光滑，因此，碳纤维无法和植物纤维一样发生分丝帚化，也不能依靠氢键作用结合成强度高、均匀性好的纸页。通常情况下，在湿法造纸中，增添分散剂能够减少碳纤维的缠绕和絮凝，有利于纤维的均匀分散和成纸均匀性的提升。

酚醛树脂（PF）作为黏结剂，经热压固化反应转为交联网状结构，在碳纤维纸中起到黏结纤维、传递应力的作用。酚醛树脂经高温碳化脱除非碳元素后转为树脂碳，热处理温度升高，碳微晶结构逐渐趋向有序化，从而能提升碳纤维纸的导电性；经石墨化处理后，碳微晶尺寸和有序程度增加，电阻率继续下降，但热处理温度过高，酚醛树脂的收缩程度增大，会使树脂与碳纤维界面出现脱离和裂纹，力学强度受损。

碳纸湿法工艺路线示意图

均一稳定的纤维-树脂复合界面构建

碳纤维与树脂界面均匀复合的研究主要集中在树脂-乙醇浓度优化、浸渍工艺优选、树脂改性、热压固化参数优化等方面。树脂溶液浓度是影响碳纸上胶量的一个重要因素：在4%~10%(质量分数)不同树脂浓度下，随着树脂浓度提高，碳纸上胶量呈增大趋势，而电阻率、透气率呈降低趋势；当上胶量在6%(质量分数)左右时，经热压后树脂在纤维中分散黏结较好，上胶量过大会导致树脂不能很好填补到碳纸孔隙，反之树脂则不能完全浸渍到碳纸上。

树脂浸渍工艺对界面均匀性也有重要影响，常压浸渍时，树脂难以向碳纸坯体内部进行扩散，纤维与树脂结合较少，且结合程度较疏松，一方面导致树脂碳残留量低，另一方面导致树脂碳开裂程度较大，产生大量裂痕；在真空浸渍方式下，树脂在碳纸坯体表面及内部分布较为均匀，纤维与树脂结合更加紧密，导电碳网络更加完善。此外，树脂超声浸渍也有利于提高碳纸厚度均匀性、导电性。

量产过程主要技术问题

生产过程连续化及产品质量均一性调控是碳纸连续化生产过程中需要重点关注的内容。

（1）卷对卷连续生产工序的协同

部分碳纸生产商只能生产片状碳纸产品，间歇操作，产品质量均一性难以保证。卷对卷生产工艺是碳纸连续化生产的重要方式，在分散成型阶段，需要纤维分散、上网成型、碳纸坯体车速、碳纸收卷等不同环节协调同步才能确保碳纸连续成型。碳纤维均匀分散及上网成型是影响碳纸连续化生产的重要因素。原料碳纤维达到均匀分散的时间越长，预处理设备相对越复杂，反之，分散时间越短，预处理设备越紧凑。此外，由于湿的碳纸坯体黏结力较弱，其受力不一致时容易撕裂。在树脂浸渍热压阶段，树脂浸渍定量控制、碳纸干燥、连续热压、碳纸收卷等不同环节协同是该阶段连续化的重要保障。若浸渍速率大于热压固化速率，易使碳纸坯体树脂浸渍量偏低，纤维与树脂之间黏合变差，反之则易使碳纸树脂浸渍量偏高，在热压固化阶段存在不能使树脂充分延展的可能。在高温碳化及石墨化阶段，碳纸走速与高温炉不同温度区间内停留时间的协同是该阶段连续运行的关键。

（2）产品质量均一性调控

批次质量均一性较差是制约碳纸暂未实现国产替代的主要因素之一，同一批次不同位置或不同批次的碳纸性质偏差较大，会给下游用户带来极大困扰。厚度不一致会造成电堆组堆时体积密度偏差较大，影响电极的水分布、透气性等；电阻率不一致会造成扩散层导电网络结构性变差，影响电流密度均一性；力学性能不一致易使不同碳纸抗拉、抗弯性能偏差较大，易导致组堆时电极破损。碳纸量产过程中质量均一性较差的问题本质是碳纤维/树脂复合结构碳化后的碳网络结构不均一、不稳定，原因可能是原料性质波动带来的工艺参数调节响应不及时、溶液分散剂浓度控制不稳定、树脂溶液浓度变化等。

（3）关键核心设备的国产化或工程化攻关

成型设备是各碳纸生产厂家的技术核心，目前国内研究人员主要借鉴造纸成型设备经验进行优化调整，是否满足最优形效果还有待生产实际检验，且在满足特殊应用场景的单层高定量碳纸成型方面还需要进一步攻关。树脂浸渍设备也是碳纸连续化生产中的重要组成，目前浸渍设备主要借鉴造纸等行业的涂布设备的经验，但在碳纸浸渍应用时难点在于如何定量浸渍树脂，确保树脂负载量均一、分布均匀。碳纸批量生产时连续热压固化可以借鉴造纸行业的热辊压工艺，但这种方式存在两辊之间线接触可能撕裂碳纸的风险。

上海联净碳纸压光机是实现高性能碳纸生产的关键设备，集成了先进的温控与压力调节系统，确保热压过程中温度稳定在±1℃以内，压力波动不超过0.1MPa。其采用二级热压与多级压区设计，通过机械压力与热力协同作用，显著提升碳纸的平滑度、光泽度及结构完整性。该设备不仅适用于燃料电池、航天等高端领域，还可广泛应用于特种纸张的生产，满足高精度、连续化生产需求。凭借精准的工艺控制与稳定的性能表现，碳纸压光机为碳纸材料的品质提升提供了坚实保障。

连续碳化石墨化设备建设是最大的挑战，国产装备与国外设备差距较大。连续碳化设备的长度和温度设置是根据碳纸的拉力强度、张力要求以及下垂量等因素来确定的，通过精确控制加热过程，可以确保碳纸在碳化过程中达到理想的性能指标。在连续碳化石墨化过程中，气帘保护系统是确保碳纸质量的重要装置，它通过在炉体两端设置气体密封或气帘装置，有效隔绝外界空气，减少氧气对炉膛及碳纸的侵蚀。

碳纸是质子交换膜燃料电池气体扩散层的基底，是制约我国氢能产业发展的“卡脖子”技术之一。湿法成型是碳纸生产的主流工艺，主要包括分散、成型、浸渍、热压固化、碳化石墨化等工序。高性能碳纸制备技术关键的是，构建均一稳定的碳纤维支撑骨架以及形成均匀复合的纤维-树脂界面。在碳纸产业化研究方面，我国整体处于起步探索阶段，针对不同应用场景，优化碳纸性能参数，是拓宽碳纸应用市场的有效途径，碳纸除用在PEMFC外，还可用于PEM电解水制氢、钒液流电池、铁基液流电池、锌空气电池、电化学反应体系、甲醇燃料电池等，针对不同应用场景可以优化调控碳纸的孔隙率、电阻率等参数，使其更好满足特定场景的应用需求。

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