气体扩散层用碳纤维纸制备和性能研究
气体扩散层是燃料电池起着导电、传质和排气的作用，直接影响燃料电池的性能和效率。
碳纤维纸具有轻质、导电性好、高温稳定性强等优点，被认为是一种有潜力替代传统扩散层材料的候选者。
碳纤维纸的制备方法
碳纤维纸是由高度纯净的碳纤维纤维束制成的一种纸状材料。碳纤维纸具有轻质、高强度、导电性能良好和高温稳定性等特点，因此被广泛应用于各个领域。碳纤维纸的制备方法主要包括湿法制备和干法制备两种。
湿法制备碳纤维纸是通过纤维素纤维在溶液中形成纤维网络，并经过凝胶化和热解过程形成的。湿法制备方法包括以下步骤：
纤维素溶液制备：将纤维素原料（如纸浆或纤维素溶液）与溶剂混合，形成纤维素溶液。
纤维素纤维网络形成：将纤维素溶液倾倒在模具上，并通过湿抄、真空吸水或压滤等方法，使纤维素纤维形成纤维网络结构。
凝胶化：通过添加凝胶化剂，如甲醛或甲酸，使纤维素溶液凝胶化。
热解：将凝胶化的纤维素纤维在高温条件下进行热解，使其转化为纯净的碳纤维纤维束。
成纸：将热解后的碳纤维纤维束进行压制、干燥和热压等处理，形成碳纤维纸。
干法制备碳纤维纸是通过碳纤维原料的喷丝和纺丝工艺直接制备而成的。干法制备方法包括以下步骤：
碳纤维原料制备：将碳纤维原料（如聚丙烯腈纤维）通过特殊的化学处理和拉伸工艺制备成纤维束。
纤维束喷丝：将纤维束通过喷丝机进行喷丝，形成细长的连续纤维。
纺丝：将喷丝得到的纤维进行纺丝处理，使其成为细而行排列的纤维丝。
热处理：将纺丝得到的纤维丝进行热处理，通常包括预氧化和碳化两个步骤。预氧化是在低温下使纤维丝中的有机物部分氧化，形成氧化纤维。碳化是将氧化纤维在高温下进行热解，使其转化为纯净的碳纤维。
成纸：将碳化后的纤维进行纸张成型工艺，包括压制、干燥和热压等步骤，最终形成碳纤维纸。
碳纤维纸制备过程中的关键参数
在碳纤维纸的制备过程中，有一些关键参数需要控制和调节，以确保最终制备的碳纤维纸具有理想的性能和品质。
纤维素溶液浓度：纤维素溶液的浓度直接影响纤维素纤维网络的形成和纤维素纤维的排列密度。过高或过低的溶液浓度都会影响纤维素纤维的质量和纤维网络的结构。
凝胶化剂浓度和反应时间：凝胶化剂的浓度和反应时间会影响纤维素纤维的凝胶化程度和纤维素纤维网络的稳定性。适当的凝胶化剂浓度和反应时间可以提高碳纤维纤维束的质量和纤维网络的强度。
热处理温度和时间：热处理的温度和时间会影响纤维丝的碳化程度和碳纤维的晶体结构。适当的热处理条件可以提高碳纤维的力学性能和导电性能。
压制和热压参数：在成纸过程中，压制和热压的参数，如压力、温度和时间，会影响碳纤维纸的密度、厚度和表面平整度。合理的压制和热压参数可以获得均匀且致密的碳纤维纸。
碳纤维纸在气体扩散层中的应用
碳纤维纸在作为气体扩散层材料时具有多种优势，使其成为燃料电池领域的研究热点：
轻质高强度：碳纤维纸具有轻质且高强度的特点，可以显著减轻燃料电池系统的重量，提高能源密度。
导电性能良好：碳纤维纸具有优异的导电性能，可以有效传递电子和离子，提高燃料电池的电化学性能和响应速度。
高温稳定性强：碳纤维纸在高温环境下具有良好的稳定性，能够抵抗氧化和热膨胀，适用于高温燃料电池系统。
透气性好：碳纤维纸具有良好的透气性，可以实现有效的气体扩散和排放，提高燃料电池的气体供应效率。
碳纤维纸在不同类型燃料电池中的应用
质子交换膜燃料电池是目前应用最广泛的燃料电池类型之一。碳纤维纸作为气体扩散层材料，可以用于质子交换膜的两侧，起到电子导电、气体扩散和水管理的作用。碳纤维纸的高导电性和透气性可以提高质子交换膜燃料电池的效率和稳定性。
直接甲醇燃料电池是一种使用甲醇作为燃料的燃料电池。碳纤维纸作为气体扩散层材料可以应用于DMFC中，帮助甲醇的氧化反应和氧气的还原反应进行顺利进行。碳纤维纸的高透气性可以提高甲醇和氧气的传递效率，提高DMFC的性能和稳定性。
碳纤维纸在HT-PEFC中的应用主要体现在气体扩散层上。由于高温条件下气体扩散的挑战性，碳纤维纸作为气体扩散层材料具有以下优势：
高温稳定性：碳纤维纸在高温环境下具有优异的稳定性，能够耐受高温下的化学反应和热膨胀，确保气体扩散层的稳定性和长期可靠性。
导气性能：在HT-PEFC中，气体扩散层需要具备良好的导气性能，以确保氧气和燃料气体的有效传递。碳纤维纸的高透气性能可以满足这一要求，促进气体的扩散和传输。
电子导电性：碳纤维纸具有良好的电子导电性能，可以提供电子传输路径，促进电流的流动，提高燃料电池的电化学反应效率。
水管理：高温条件下，水的管理对于燃料电池的性能至关重要。碳纤维纸作为气体扩散层材料能够调节水分的吸附和排放，有效控制燃料电池中水的分布和排泄，提高系统的稳定性。
