在質子交換膜燃料電池中，需同時實現“保水”與“排水”：保水：維持質子交換膜的濕潤狀態，保證質子傳導效率；排水：快速排出催化層生成的液態水，避免堵塞氣體通道導致“缺氣”。實現方式：通過PTFE（聚四氟乙烯）疏水涂層調控親疏水性，結合多孔結構的毛細作用，平衡水的留存與排出。

穩定的力學性能需耐受電池組裝時的夾緊壓力（通常0.5-2MPa）、長期運行中的溫度/濕度循環變化，避免變形、破損或分層，確保組件結構完整性。關鍵指標：拉伸強度（炭紙縱向一般＞15MPa）、彎曲強度、耐疲勞性，需在干濕交替、冷熱循環下保持力學穩定性。

GDL結構支撐與界面適配：保障電池長期穩定運行。青海水冷電堆用GDL

由于碳紙是燃料電池的“功能件”，其質量檢測標準極為嚴苛，進一步增加了工藝復雜度：微觀結構：需用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察孔隙分布，要求孔徑均勻（5-20μm），無明顯團聚或裂紋；電學性能：體積電阻率需＜10mΩ?cm（石墨化后），且不同區域電阻率偏差＜5%；機械性能：抗折強度需＞5MPa，拉伸強度需＞15MPa，避免在燃料電池組裝（螺栓緊固）時破損；疏水性能：水接觸角需＞110°（確保電解液不滲透）。綜上，碳紙的制備是“精細化工+高溫材料+精密機械”的綜合過程，每個步驟都需攻克材料兼容性、工藝穩定性、性能平衡性等難題，因此其工藝流程具有復雜性，也是過去我國長期依賴進口的原因之一（截至2024年5月，國內少數企業實現高品級碳紙量產，國產化率仍不足30%）。青海水冷電堆用GDL氣體傳輸：GDL 內部的多孔結構（孔隙率通常 50%-80%）形成連續的 “氣體通道”。

1.基體纖維（占原材料成本70%-80%）碳紙的“骨架”由碳纖維制成，其品質直接決定碳紙的性能，也是成本差異的關鍵：場景（如燃料電池GDL）：需使用聚丙烯腈基（PAN基）高模碳纖維（如日本東麗T700、國內中簡科技ZT700），這類碳纖維純度高（碳含量＞95%）、直徑細（5-7μm）、強度高（拉伸強度＞4.9GPa），但價格昂貴——截至2024年5月，工業級PAN基碳纖維單價約200-500元/公斤，而用于碳紙的“超細旦、高純度”規格單價可達800-1500元/公斤。中低端場景（如普通過濾）：可使用瀝青基碳纖維或粘膠基碳纖維，價格較低（約50-200元/公斤），但性能（如導電性、耐腐蝕性）較差。2.粘結劑（占原材料成本10%-20%）用于將碳纖維粘結成紙狀基材，需具備“高溫碳化后不殘留雜質、與碳纖維相容性好”的特性，常用材料為：酚醛樹脂、環氧樹脂：主流選擇，需使用高純度（雜質含量＜0.1%）的特種樹脂，避免碳化后引入金屬離子（影響導電性），單價約150-300元/公斤；聚酰亞胺（PI）：用于碳紙（如耐2000℃以上高溫場景），粘結強度更高、碳化后碳殘留率高，但單價可達800-1200元/公斤，進一步推高成本。

作為未來清潔能源市場的重要一極，氫燃料電池的產業化技術必須實現國產可控，而氣體擴散層、催化劑、交換膜是氫燃料電池和PEM電解槽的關鍵零部件，作為業內公認的三大“卡脖子”材料，催化劑和交換膜已陸續實現國產自主。氣體擴散層（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結構導電作用均勻擴散氣體的作用擴散層輸水作用。燃料電池GDL要求：均勻的多孔質結構，透氣性能好電阻率低，電子傳導能力強結構緊密且表面平整，減小接觸電阻，提高導電性能具有一定的機械強度，適當的剛性與柔性，利于電極的制作，提供長期操作條件下電極結構的穩定性適當的親水/憎水平衡，防止過多的水分阻塞孔隙而導致氣體透過性能下降具有較好的化學穩定性和熱穩定性。正是由于對氣體擴散層用材料的嚴苛要求，碳纖維紙以其質量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙均勻且強度高，厚度可根據使用要求調整，適合耐久性燃料電池使用，成為GDL的可選材料。
液流電池，電極材料：替代傳統碳氈或碳布，利用其高導電性和均勻孔隙結構，促進電解液與電極表面的接觸。

導電性能指標：影響“能量損耗”與“輸出效率”GDL需高效傳輸電子，相關指標決定系統的“歐姆損耗”（電化學系統主要能量損耗之一），關鍵指標包括：體積電阻率/面電阻體積電阻率：電流垂直穿透GDL時的電阻（單位：mΩ?cm），反映GDL本體的導電能力；面電阻：電流沿GDL平面擴散時的電阻（單位：mΩ/sq），影響氣體分布均勻性。意義：電阻率越低，電子傳輸損耗越小。典型范圍：體積電阻率＜10mΩ?cm（石墨化碳紙），面電阻＜50mΩ/sq。影響因素：碳纖維的石墨化程度（石墨化越高，電阻率越低）、孔隙率（孔隙率過高會增加電子傳輸路徑）、壓緊力（組裝時壓緊力不足會增大接觸電阻）。接觸電阻定義：GDL與相鄰部件（雙極板、催化層）界面處的電阻（單位：mΩ?cm2），由界面平整度、表面粗糙度與壓緊力決定。意義：接觸電阻是歐姆損耗的重要來源，若過大（如＞100mΩ?cm2），會導致系統整體內阻升高，功率輸出下降。優化方式：通過打磨雙極板表面、增加GDL表面平整度（如MPL涂層）、施加合適壓緊力（1~3MPa）降低接觸電阻。氣體擴散層是燃料電池中位于催化劑層和雙極板之間的功能層。北京水冷電堆用GDL制造

GDL傳遞電子，構建 “電流通路”。青海水冷電堆用GDL

預氧化與碳化階段（占加工成本40%-50%）是碳紙“性能轉化”的環節，步驟：預氧化：在200-300℃空氣氛圍中，使粘結劑與碳纖維發生交聯反應，防止后續碳化時纖維斷裂，需使用“連續式熱風隧道爐”，升溫速率嚴格（5-10℃/min），單噸碳紙能耗約500-800kWh；碳化：在800-1200℃惰性氣體（氮氣/氬氣）氛圍中，去除原材料中的非碳元素（如H、O、N），使碳含量提升至90%以上，需使用“高溫管式爐”，惰性氣體消耗量大（單噸碳紙需氮氣約500-1000m3），能耗約1500-2500kWh/噸——碳化階段的能耗成本就占加工成本的30%以上。青海水冷電堆用GDL

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