質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）被認(rèn)為是新能源動(dòng)力終極解決方案。氣體擴(kuò)散層（GDL）是PEMFC中的關(guān)鍵組件，起到導(dǎo)電、傳熱、透氣、排水的作用。碳纖維紙是目前GDL首選的商業(yè)化材料。以濕法成型為基礎(chǔ)，研究分散劑種類、碳纖維長(zhǎng)徑比、樹脂浸漬和碳化石墨化工藝對(duì)碳纖維紙結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，聚氧化乙烯（PEO）與羥甲基纖維素（HMC）復(fù)配為最佳的分散劑體系。6 mm和3 mm短切碳纖維的最佳配比為80%和20%。采用真空浸漬法浸漬酚醛樹脂能顯著提升碳纖維紙的樹脂碳?xì)埩袅考皩?dǎo)電性。碳化石墨化溫度的提高有利于碳纖維紙的孔隙率和導(dǎo)電性增加，當(dāng)熱處理溫度為2400 ℃時(shí)，碳纖維紙的孔隙率為82.5%，電阻率為8.1 mΩ·cm，拉伸強(qiáng)度為29.8 MPa。

質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cells, PEMFC）作為氫燃料電池的一類，擁有出色的功率密度和能量轉(zhuǎn)化效率、快速響應(yīng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新能源終極解決方案。氣體擴(kuò)散層（GDL）作為PEMFC 中的關(guān)鍵部件要求具有豐富的孔隙、優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱與耐腐蝕性能，而碳纖維紙是目前應(yīng)用最廣泛的能滿足PEMFC氣體擴(kuò)散層要求的材料。

碳纖維紙的制備工藝包含濕法成型、樹脂浸漬、熱壓固化、碳化石墨化等部分，每部分的作用機(jī)制、與碳纖維紙?zhí)匦缘年P(guān)系以及工藝參數(shù)的調(diào)控都需要仔細(xì)研究。濕法成型的前提是碳纖維在水中均勻分散，而碳纖維的表面缺乏官能團(tuán)，表面能低且光滑，因此，碳纖維無法和植物纖維一樣發(fā)生分絲帚化，也不能依靠氫鍵作用結(jié)合成強(qiáng)度高、均勻性好的紙頁。通常情況下，在濕法造紙中，增添分散劑能夠減少碳纖維的纏繞和絮凝，有利于纖維的均勻分散和成紙均勻性的提升。

酚醛樹脂（PF）作為黏結(jié)劑，經(jīng)熱壓固化反應(yīng)轉(zhuǎn)為交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在碳纖維紙中起到黏結(jié)纖維、傳遞應(yīng)力的作用。酚醛樹脂經(jīng)高溫碳化脫除非碳元素后轉(zhuǎn)為樹脂碳，熱處理溫度升高，碳微晶結(jié)構(gòu)逐漸趨向有序化，從而能提升碳纖維紙的導(dǎo)電性；經(jīng)石墨化處理后，碳微晶尺寸和有序程度增加，電阻率繼續(xù)下降，但熱處理溫度過高，酚醛樹脂的收縮程度增大，會(huì)使樹脂與碳纖維界面出現(xiàn)脫離和裂紋，力學(xué)強(qiáng)度受損。

碳紙濕法工藝路線示意圖

均一穩(wěn)定的纖維-樹脂復(fù)合界面構(gòu)建

碳纖維與樹脂界面均勻復(fù)合的研究主要集中在樹脂-乙醇濃度優(yōu)化、浸漬工藝優(yōu)選、樹脂改性、熱壓固化參數(shù)優(yōu)化等方面。樹脂溶液濃度是影響碳紙上膠量的一個(gè)重要因素：在4%~10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不同樹脂濃度下，隨著樹脂濃度提高，碳紙上膠量呈增大趨勢(shì)，而電阻率、透氣率呈降低趨勢(shì)；當(dāng)上膠量在6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右時(shí)，經(jīng)熱壓后樹脂在纖維中分散黏結(jié)較好，上膠量過大會(huì)導(dǎo)致樹脂不能很好填補(bǔ)到碳紙孔隙，反之樹脂則不能完全浸漬到碳紙上。

樹脂浸漬工藝對(duì)界面均勻性也有重要影響，常壓浸漬時(shí)，樹脂難以向碳紙坯體內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，纖維與樹脂結(jié)合較少，且結(jié)合程度較疏松，一方面導(dǎo)致樹脂碳?xì)埩袅康?，另一方面?dǎo)致樹脂碳開裂程度較大，產(chǎn)生大量裂痕；在真空浸漬方式下，樹脂在碳紙坯體表面及內(nèi)部分布較為均勻，纖維與樹脂結(jié)合更加緊密，導(dǎo)電碳網(wǎng)絡(luò)更加完善。此外，樹脂超聲浸漬也有利于提高碳紙厚度均勻性、導(dǎo)電性。

量產(chǎn)過程主要技術(shù)問題

生產(chǎn)過程連續(xù)化及產(chǎn)品質(zhì)量均一性調(diào)控是碳紙連續(xù)化生產(chǎn)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

（1）卷對(duì)卷連續(xù)生產(chǎn)工序的協(xié)同

部分碳紙生產(chǎn)商只能生產(chǎn)片狀碳紙產(chǎn)品，間歇操作，產(chǎn)品質(zhì)量均一性難以保證。卷對(duì)卷生產(chǎn)工藝是碳紙連續(xù)化生產(chǎn)的重要方式，在分散成型階段，需要纖維分散、上網(wǎng)成型、碳紙坯體車速、碳紙收卷等不同環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)同步才能確保碳紙連續(xù)成型。碳纖維均勻分散及上網(wǎng)成型是影響碳紙連續(xù)化生產(chǎn)的重要因素。原料碳纖維達(dá)到均勻分散的時(shí)間越長(zhǎng)，預(yù)處理設(shè)備相對(duì)越復(fù)雜，反之，分散時(shí)間越短，預(yù)處理設(shè)備越緊湊。此外，由于濕的碳紙坯體黏結(jié)力較弱，其受力不一致時(shí)容易撕裂。在樹脂浸漬熱壓階段，樹脂浸漬定量控制、碳紙干燥、連續(xù)熱壓、碳紙收卷等不同環(huán)節(jié)協(xié)同是該階段連續(xù)化的重要保障。若浸漬速率大于熱壓固化速率，易使碳紙坯體樹脂浸漬量偏低，纖維與樹脂之間黏合變差，反之則易使碳紙樹脂浸漬量偏高，在熱壓固化階段存在不能使樹脂充分延展的可能。在高溫碳化及石墨化階段，碳紙走速與高溫爐不同溫度區(qū)間內(nèi)停留時(shí)間的協(xié)同是該階段連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵。

（2）產(chǎn)品質(zhì)量均一性調(diào)控

批次質(zhì)量均一性較差是制約碳紙暫未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代的主要因素之一，同一批次不同位置或不同批次的碳紙性質(zhì)偏差較大，會(huì)給下游用戶帶來極大困擾。厚度不一致會(huì)造成電堆組堆時(shí)體積密度偏差較大，影響電極的水分布、透氣性等；電阻率不一致會(huì)造成擴(kuò)散層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性變差，影響電流密度均一性；力學(xué)性能不一致易使不同碳紙抗拉、抗彎性能偏差較大，易導(dǎo)致組堆時(shí)電極破損。碳紙量產(chǎn)過程中質(zhì)量均一性較差的問題本質(zhì)是碳纖維/樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)碳化后的碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不均一、不穩(wěn)定，原因可能是原料性質(zhì)波動(dòng)帶來的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)響應(yīng)不及時(shí)、溶液分散劑濃度控制不穩(wěn)定、樹脂溶液濃度變化等。

（3）關(guān)鍵核心設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化或工程化攻關(guān)

成型設(shè)備是各碳紙生產(chǎn)廠家的技術(shù)核心，目前國(guó)內(nèi)研究人員主要借鑒造紙成型設(shè)備經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，是否滿足最優(yōu)形效果還有待生產(chǎn)實(shí)際檢驗(yàn)，且在滿足特殊應(yīng)用場(chǎng)景的單層高定量碳紙成型方面還需要進(jìn)一步攻關(guān)。樹脂浸漬設(shè)備也是碳紙連續(xù)化生產(chǎn)中的重要組成，目前浸漬設(shè)備主要借鑒造紙等行業(yè)的涂布設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，但在碳紙浸漬應(yīng)用時(shí)難點(diǎn)在于如何定量浸漬樹脂，確保樹脂負(fù)載量均一、分布均勻。碳紙批量生產(chǎn)時(shí)連續(xù)熱壓固化可以借鑒造紙行業(yè)的熱輥壓工藝，但這種方式存在兩輥之間線接觸可能撕裂碳紙的風(fēng)險(xiǎn)。

上海聯(lián)凈碳紙壓光機(jī)是實(shí)現(xiàn)高性能碳紙生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，集成了先進(jìn)的溫控與壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，確保熱壓過程中溫度穩(wěn)定在±1℃以內(nèi)，壓力波動(dòng)不超過0.1MPa。其采用二級(jí)熱壓與多級(jí)壓區(qū)設(shè)計(jì)，通過機(jī)械壓力與熱力協(xié)同作用，顯著提升碳紙的平滑度、光澤度及結(jié)構(gòu)完整性。該設(shè)備不僅適用于燃料電池、航天等高端領(lǐng)域，還可廣泛應(yīng)用于特種紙張的生產(chǎn)，滿足高精度、連續(xù)化生產(chǎn)需求。憑借精準(zhǔn)的工藝控制與穩(wěn)定的性能表現(xiàn)，碳紙壓光機(jī)為碳紙材料的品質(zhì)提升提供了堅(jiān)實(shí)保障。

連續(xù)碳化石墨化設(shè)備建設(shè)是最大的挑戰(zhàn)，國(guó)產(chǎn)裝備與國(guó)外設(shè)備差距較大。連續(xù)碳化設(shè)備的長(zhǎng)度和溫度設(shè)置是根據(jù)碳紙的拉力強(qiáng)度、張力要求以及下垂量等因素來確定的，通過精確控制加熱過程，可以確保碳紙?jiān)谔蓟^程中達(dá)到理想的性能指標(biāo)。在連續(xù)碳化石墨化過程中，氣簾保護(hù)系統(tǒng)是確保碳紙質(zhì)量的重要裝置，它通過在爐體兩端設(shè)置氣體密封或氣簾裝置，有效隔絕外界空氣，減少氧氣對(duì)爐膛及碳紙的侵蝕。

碳紙是質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層的基底，是制約我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”技術(shù)之一。濕法成型是碳紙生產(chǎn)的主流工藝，主要包括分散、成型、浸漬、熱壓固化、碳化石墨化等工序。高性能碳紙制備技術(shù)關(guān)鍵的是，構(gòu)建均一穩(wěn)定的碳纖維支撐骨架以及形成均勻復(fù)合的纖維-樹脂界面。在碳紙產(chǎn)業(yè)化研究方面，我國(guó)整體處于起步探索階段，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，優(yōu)化碳紙性能參數(shù)，是拓寬碳紙應(yīng)用市場(chǎng)的有效途徑，碳紙除用在PEMFC外，還可用于PEM電解水制氫、釩液流電池、鐵基液流電池、鋅空氣電池、電化學(xué)反應(yīng)體系、甲醇燃料電池等，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景可以優(yōu)化調(diào)控碳紙的孔隙率、電阻率等參數(shù)，使其更好滿足特定場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

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