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來(lái)源： 發(fā)布時(shí)間：2025-09-27

作為未來(lái)清潔能源市場(chǎng)的重要一極，氫燃料電池的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)必須實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)可控，而氣體擴(kuò)散層、催化劑、交換膜是氫燃料電池和PEM電解槽的關(guān)鍵零部件，作為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的三大“卡脖子”材料，催化劑和交換膜已陸續(xù)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)自主。氣體擴(kuò)散層（GDL）是燃料電池重要組件之一，其主要作用在于：催化劑的載體支撐電機(jī)結(jié)構(gòu)導(dǎo)電作用均勻擴(kuò)散氣體的作用擴(kuò)散層輸水作用。燃料電池GDL要求：均勻的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，透氣性能好電阻率低，電子傳導(dǎo)能力強(qiáng)結(jié)構(gòu)緊密且表面平整，減小接觸電阻，提高導(dǎo)電性能具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)膭傂耘c柔性，利于電極的制作，提供長(zhǎng)期操作條件下電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性適當(dāng)?shù)挠H水/憎水平衡，防止過(guò)多的水分阻塞孔隙而導(dǎo)致氣體透過(guò)性能下降具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。正是由于對(duì)氣體擴(kuò)散層用材料的嚴(yán)苛要求，碳纖維紙以其質(zhì)量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙均勻且強(qiáng)度高，厚度可根據(jù)使用要求調(diào)整，適合耐久性燃料電池使用，成為GDL的可選材料。擁有研發(fā)體系和研發(fā)隊(duì)伍！北京PEM制氫用碳紙?jiān)趺礃?/p>

碳紙

功能改性劑（占原材料成本5%-10%）根據(jù)應(yīng)用需求添加，用于優(yōu)化碳紙的“疏水性、導(dǎo)電性、催化兼容性”：疏水處理劑：如聚四氟乙烯（PTFE）乳液，用于燃料電池碳紙的水管理，需使用高分散性PTFE（粒徑＜0.1μm），單價(jià)約200-400元/公斤；導(dǎo)電改性劑：如石墨烯、碳納米管（CNT），用于提升低品級(jí)碳纖維的導(dǎo)電性，單價(jià)昂貴（石墨烯約5000-10000元/公斤，CNT約2000-5000元/公斤），少量添加；抗腐蝕劑：如氮化硼（BN），用于電解水制氫碳紙，單價(jià)約800-1500元/公斤。北京PEM制氫用碳紙?jiān)趺礃犹技埖膬?yōu)勢(shì)根源在于其由碳纖維交織形成的 “連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)”。

作為氣體擴(kuò)散層的基材，碳紙的制備，除了準(zhǔn)備原料、打漿抄紙、浸漬、固化這些步驟，還需碳化、石墨化處理。而氣體擴(kuò)散層的制備一般稱為抄紙制程，在制程中還必須改善碳紙?jiān)咸匦?、?dǎo)電性以及化學(xué)安定性。其方法為以碳纖維紙為基礎(chǔ)再添加碳復(fù)合材料混合后熱處理，其制程中還可以添加適當(dāng)?shù)闹虚g原料并配合使用的特性研發(fā)出相同的碳紙。方法為以碳纖維紙為基礎(chǔ)再添加碳復(fù)合材料混合后熱處理，其制程中還可以添加適當(dāng)?shù)闹虚g原料并配合使用的特性研發(fā)出相同的碳紙。碳紙?jiān)谠旒堧A段前必須先將連續(xù)長(zhǎng)絲纖維切斷成為3~12mm之間的短纖維段，組成短纖維段后的制程依序分為1.抄紙，2.含浸復(fù)合樹(shù)脂，3.熱壓成形，4.碳化處理以及5.石墨化處理。復(fù)雜的工藝決定了碳紙是當(dāng)前制約我國(guó)氫燃料電池領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)材料，受制于碳纖維、碳纖維原紙、石墨化和后處理等復(fù)雜工藝及裝備，我國(guó)至今未能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)碳紙。目前可應(yīng)用在燃料電池氣體擴(kuò)散層的碳紙生產(chǎn)廠商有TORAY、SGL、Ballard、Avcarb、中國(guó)臺(tái)灣碳能等公司。因此，碳紙也被稱之為燃料電池材料國(guó)產(chǎn)化的“一個(gè)壁壘”。

1. 特種過(guò)濾與分離高溫氣體過(guò)濾：在垃圾焚燒、鋼鐵冶煉等場(chǎng)景中，碳紙可耐受 800℃以上高溫，且多孔結(jié)構(gòu)能過(guò)濾煙氣中的粉塵（如 PM2.5）、重金屬（如汞），同時(shí)自身不被酸性煙氣（如 SO?、HCl）腐蝕；液體分離：在化工廢水處理中，經(jīng)改性的碳紙（如涂覆石墨烯）可實(shí)現(xiàn) “選擇性滲透”，分離水中的有機(jī)物（如染料、油污），且化學(xué)穩(wěn)定性可避免被強(qiáng)氧化劑（如雙氧水）降解。2. 電磁屏蔽與防靜電電子設(shè)備屏蔽：在航空航天、精密電子（如芯片制造）中，碳紙的高導(dǎo)電性可吸收或反射電磁波，用于制作 “電磁屏蔽罩”，防止外部電磁干擾（EMI）影響設(shè)備精度；防靜電材料：在半導(dǎo)體晶圓運(yùn)輸盒、易燃易爆環(huán)境（如化工儲(chǔ)罐）中，碳紙可形成 “導(dǎo)電通路”，將靜電電荷快速導(dǎo)出（表面電阻＜10?Ω），避免靜電火花引發(fā)事故。
碳紙兼顧高透氣性 “傳質(zhì)調(diào)控”。

碳紙的生產(chǎn)成本結(jié)構(gòu)與其 “高技術(shù)壁壘、多環(huán)節(jié)工藝、高純度原料” 的特性直接相關(guān)，可拆解為原材料成本、生產(chǎn)加工成本、后處理與檢測(cè)成本三大模塊，其中原材料和關(guān)鍵加工環(huán)節(jié)是成本占比部分。不同應(yīng)用場(chǎng)景（如氫燃料電池用碳紙 vs 普通工業(yè)用碳紙）的成本構(gòu)成差異較大，以下以應(yīng)用廣、技術(shù)要求的 “燃料電池級(jí)碳紙” 為例，詳細(xì)分析其成本構(gòu)成：一、原材料成本：占總成本 40%-60%（驅(qū)動(dòng)因素）碳紙的原材料決定了其基礎(chǔ)性能（如導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度，主要括基體纖維、粘結(jié)劑、功能改性劑三類：碳紙耐受惡劣工況，延長(zhǎng)使用壽命。陜西膜電極用碳紙?jiān)趺礃?/p>

碳紙”能將反應(yīng)氣體從雙極板流道輸送至催化層，避免 “局部缺氣”。北京PEM制氫用碳紙?jiān)趺礃?/p>

出色的化學(xué)與熱穩(wěn)定性需在電池運(yùn)行的苛刻環(huán)境（如酸性氛圍、30-100℃工作溫度、氧化還原反應(yīng)）中保持穩(wěn)定，不發(fā)生腐蝕、降解或與其他組件（如電解液、催化層）發(fā)生不良反應(yīng)?；瘜W(xué)穩(wěn)定性：碳纖維基材和涂層材料（如炭材料、PTFE）需耐酸、耐氧化，避免生成雜質(zhì)影響電池性能；熱穩(wěn)定性：在工作溫度范圍內(nèi)不軟化、不分解，同時(shí)具備一定導(dǎo)熱性，輔助散熱，避免局部過(guò)熱。低且均勻的接觸電阻與催化層、流場(chǎng)板的界面接觸電阻需極低且均勻，避免局部電阻過(guò)高導(dǎo)致“熱點(diǎn)”，影響反應(yīng)均勻性和整體效率。優(yōu)化方式：通過(guò)表面改性（如拋光、涂覆導(dǎo)電膠）降低界面接觸電阻，確保壓力分布均勻。北京PEM制氫用碳紙?jiān)趺礃?/p>

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標(biāo)簽： GDL 碳紙 氣體擴(kuò)散層

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