国内外燃料电池碳纸的研究现状和发展趋势

燃料电池结构有一个重要组成部分是质子交换膜，质子交换膜是固体聚合物电解质。电极则是通过气体扩散催化构成，气体的扩散层利用碳布或者钛网来进行支撑，利用粘结剂组合在一起。

碳纤维纸是使用碳纤维或活性碳纤维与其它植物或非植物纤维混合生产的具有特殊性能的功能纸。作为碳纤维功能材料，碳纤维纸具有碳纤维的优异性能，而且在碳纤维纸中碳纤维是以短纤维无规则的形式存在,各向同性,是利用长纤维复合成型材料无法比拟的,具体碳纤维纸具有以下性能：

1. 优异的电热性能，作为发热装置。

2. 导电性能,碳纤维纸的自身电阻、密度、厚度以及加工工艺会影响碳纤维纸的导电性使碳纤维电阻发生变化。通过控制生产工艺可以得到不同电导率的碳纤维纸，应用于不同领域。

3. 多孔性，碳纤维是均匀的多孔性材料加之碳纤维自身表面的比表面积大，碳纤维纸是重要的过滤材料。

另外，碳纤维纸还具有的轻量化、耐高温、耐腐蚀等性能。

碳纤维纸国内外的研究现状

目前燃料电池用碳纤维纸生产技术基本由国外掌握。国外发达国家由于碳纤维工业发展比较早，成本较低，碳纤维纸的生产工艺技术已逐渐趋于成熟。PEMFC多孔气体扩散电极的关键材料碳纸的研制水平较高，并能批量供货的主要有加拿大Ballard Material Products公司、德国SGL技术公司和日本东丽公司等少数几家公司。关于燃料电池的碳纸和多孔碳电极基材料的专利有许多。其中以日本公司专利为多，下面就给大家对这些专利做一个简要介绍。

基本工序为：碳纸由一种有机的高分子化合物与碳纤维复合而成，燃料电池的多孔碳电极基体通过浸润热塑性树脂先热压再炭化。其中，碳纤维的含量为碳纸的40%~90%，炭化温度不低于800℃。该发明的电极基体容易弯曲和有一定强度，同时可以进行连续工业化生产，并且发明的碳纸适于生产电极基体。但由于该发明含有有机纤维，将会影响其导电性能日本三菱公司申请的提供一种碳纸及其燃料电池用的多孔碳电极基材，其碳纸含有表面积比在1.05以上碳纤维，平均直径为3~5微米，平均长度为2~18毫米，碳化树脂质量分数为碳纸的10%~50%。同时碳纸具有柔软型,非常适合制造电极材料。

Inouse申请了碳纸及多孔碳板，介绍了其制备工艺流程。其中碳纤维由2种不同直径的碳纤维组成，碳纤维的平均直径为4~9微米，平均长度大于4毫米。申请了沥青级碳纸及其制备工艺，包含沥青级碳纤维及其基体。纸的基体是由纤维素纤维或者有机纤维和树脂组成,其中沥青级碳纤维：纸基体=10%~50%（wt):50%~90%(wt)。沥青级碳纤维由于将传导性、抗静电性结合到碳纸中，将使碳纸具有好的传导性以及消除静电效应。上述碳纸具有优良的导电率、高的热传递率、长的使用寿命和低的价格，其制备过程较简单且容易实现。

2002年申请的专利介绍了一种具有高电导性、柔韧性的电极材料和碳纸材料，碳纸包含碳纤维和酸基团取代水溶性苯胺导体聚合物，聚合物还带有硫或梭基团。Mikio等申请专利是一种专利是固体聚合物燃料电池用碳纸，其中，碳纤维的平均直径为8~12微米，平均长度为4~6毫米,并含有碳素材料,包含炭黑、石墨粉以及相似材料。我国“八五”期间就曾对碳纤维造纸技术作过专门研究，但作为PEMFC电极中的气体扩散层材料的碳纤维纸的研究尚处于起步阶段。近年国内有四、五家高校、研究所开展过实验室小试探索，但没有一家能实现小批量生产，离实现产业化有较大差距，无法满足燃料电池的开发和应用需要。浙江省普瑞科技有限公司(浙江省造纸研究所)借助长期从事特种纤维抄造特种功能纸的研究和“八五”期间研究碳纤维纸积累的经验，在实验室小试探索的基础上，为脱除碳纤维纸产业化的主要瓶颈，己进入碳纸基纸机械化抄造的试验阶段。

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