氣體擴散層用碳纖維紙制備和性能研究
氣體擴散層是燃料電池起着導電、傳質和排氣的作用，直接影響燃料電池的性能和效率。
碳纖維紙具有輕質、導電性好、高溫穩定性強等優點，被認為是一種有潛力替代傳統擴散層材料的候選者。
碳纖維紙的制備方法
碳纖維紙是由高度純淨的碳纖維纖維束制成的一種紙狀材料。碳纖維紙具有輕質、高強度、導電性能良好和高溫穩定性等特點，是以被廣泛應用于各個領域。碳纖維紙的制備方法主要包括濕法制備和幹法制備兩種。
濕法制備碳纖維紙是通過纖維素纖維在溶液中形成纖維網絡，并經過凝膠化和熱解過程形成的。濕法制備方法包括以下步驟：
纖維素溶液制備：将纖維素原料（如紙漿或纖維素溶液）與溶劑混合，形成纖維素溶液。
纖維素纖維網絡形成：将纖維素溶液傾倒在模具上，并通過濕抄、真空吸水或壓濾等方法，使纖維素纖維形成纖維網絡結構。
凝膠化：通過添加凝膠化劑，如甲醛或甲酸，使纖維素溶液凝膠化。
熱解：将凝膠化的纖維素纖維在高溫條件下進行熱解，使其轉化為純淨的碳纖維纖維束。
成紙：将熱解後的碳纖維纖維束進行壓制、幹燥和熱壓等處理，形成碳纖維紙。
幹法制備碳纖維紙是通過碳纖維原料的噴絲和紡絲工藝直接制備而成的。幹法制備方法包括以下步驟：
碳纖維原料制備：将碳纖維原料（如聚丙烯腈纖維）通過特殊的化學處理和拉伸工藝制備成纖維束。
纖維束噴絲：将纖維束通過噴絲機進行噴絲，形成細長的連續纖維。
紡絲：将噴絲得到的纖維進行紡絲處理，使其成為細而行排列的纖維絲。
熱處理：将紡絲得到的纖維絲進行熱處理，通常包括預氧化和碳化兩個步驟。預氧化是在低溫下使纖維絲中的有機物部分氧化，形成氧化纖維。碳化是将氧化纖維在高溫下進行熱解，使其轉化為純淨的碳纖維。
成紙：将碳化後的纖維進行紙張成型工藝，包括壓制、幹燥和熱壓等步驟，最終形成碳纖維紙。
碳纖維紙制備過程中的關鍵參數
在碳纖維紙的制備過程中，有一些關鍵參數需要控制和調節，以確定最終制備的碳纖維紙具有理想的性能和品質。
纖維素溶液濃度：纖維素溶液的濃度直接影響纖維素纖維網絡的形成和纖維素纖維的排列密度。過高或過低的溶液濃度都會影響纖維素纖維的品質和纖維網絡的結構。
凝膠化劑濃度和反應時間：凝膠化劑的濃度和反應時間會影響纖維素纖維的凝膠化程度和纖維素纖維網絡的穩定性。适當的凝膠化劑濃度和反應時間可以提高碳纖維纖維束的品質和纖維網絡的強度。
熱處理溫度和時間：熱處理的溫度和時間會影響纖維絲的碳化程度和碳纖維的晶體結構。适當的熱處理條件可以提高碳纖維的力學性能和導電性能。
壓制和熱壓參數：在成紙過程中，壓制和熱壓的參數，如壓力、溫度和時間，會影響碳纖維紙的密度、厚度和表面平整度。合理的壓制和熱壓參數可以獲得均勻且緻密的碳纖維紙。
碳纖維紙在氣體擴散層中的應用
碳纖維紙在作為氣體擴散層材料時具有多種優勢，使其成為燃料電池領域的研究熱點：
輕質高強度：碳纖維紙具有輕質且高強度的特點，可以顯著減輕燃料電池系統的重量，提高能源密度。
導電性能良好：碳纖維紙具有優異的導電性能，可以有效傳遞電子和離子，提高燃料電池的電化學性能和響應速度。
高溫穩定性強：碳纖維紙在高溫環境下具有良好的穩定性，能夠抵抗氧化和熱膨脹，适用于高溫燃料電池系統。
透氣性好：碳纖維紙具有良好的透氣性，可以實作有效的氣體擴散和排放，提高燃料電池的氣體供應效率。
碳纖維紙在不同類型燃料電池中的應用
質子交換膜燃料電池是目前應用最廣泛的燃料電池類型之一。碳纖維紙作為氣體擴散層材料，可以用于質子交換膜的兩側，起到電子導電、氣體擴散和水管理的作用。碳纖維紙的高導電性和透氣性可以提高質子交換膜燃料電池的效率和穩定性。
直接甲醇燃料電池是一種使用甲醇作為燃料的燃料電池。碳纖維紙作為氣體擴散層材料可以應用于DMFC中，幫助甲醇的氧化反應和氧氣的還原反應進行順利進行。碳纖維紙的高透氣性可以提高甲醇和氧氣的傳遞效率，提高DMFC的性能和穩定性。
碳纖維紙在HT-PEFC中的應用主要展現在氣體擴散層上。由于高溫條件下氣體擴散的挑戰性，碳纖維紙作為氣體擴散層材料具有以下優勢：
高溫穩定性：碳纖維紙在高溫環境下具有優異的穩定性，能夠耐受高溫下的化學反應和熱膨脹，確定氣體擴散層的穩定性和長期可靠性。
導氣性能：在HT-PEFC中，氣體擴散層需要具備良好的導氣性能，以確定氧氣和燃料氣體的有效傳遞。碳纖維紙的高透氣性能可以滿足這一要求，促進氣體的擴散和傳輸。
電子導電性：碳纖維紙具有良好的電子導電性能，可以提供電子傳輸路徑，促進電流的流動，提高燃料電池的電化學反應效率。
水管理：高溫條件下，水的管理對于燃料電池的性能至關重要。碳纖維紙作為氣體擴散層材料能夠調節水分的吸附和排放，有效控制燃料電池中水的分布和排洩，提高系統的穩定性。
