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碳纖維紙（簡稱碳紙）由短切碳纖維為原料制造而成，在微觀上具有纖維多孔結(jié)構(gòu)，可為氣體及水的傳導(dǎo)建立有效通道。同時(shí)，碳紙具有質(zhì)量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙率均勻等優(yōu)點(diǎn)。此外，具有高強(qiáng)度的碳紙可為PEMFC電池的安裝和使用帶來保障，起到穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，提高電池的壽命。
碳纖維紙（簡稱碳紙）由短切碳纖維為原料制造而成，在微觀上具有纖維多孔結(jié)構(gòu)，可為氣體及水的傳導(dǎo)建立有效通道。同時(shí)，碳紙具有質(zhì)量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙率均勻等優(yōu)點(diǎn)。此外，具有高強(qiáng)度的碳紙可為PEMFC電池的安裝和使用帶來保障，起到穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，提高電池的壽命。
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）作為氫能利用的核心裝置，通過電化學(xué)反應(yīng)將氫氣和氧氣高效轉(zhuǎn)化為電能、水和熱能，整個(gè)過程幾乎不產(chǎn)生污染排放，因此被廣泛應(yīng)用于從便攜式電源到大型固定發(fā)電站等多種場景。而氣體擴(kuò)散層（GDL）作為PEMFC的關(guān)鍵組成部分，不僅承擔(dān)著將反應(yīng)氣體均勻輸送至電極表面的重任，還負(fù)責(zé)排出反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水分，并有效傳導(dǎo)電子和熱量。GDL主要由多孔導(dǎo)電材料基底層和微孔層構(gòu)成，其中，碳纖維紙（簡稱碳紙）憑借其卓越的導(dǎo)電性能、均勻的孔隙結(jié)構(gòu)以及出色的機(jī)械性能，成為了GDL基底材料的首選。
碳紙是燃料電池氣體擴(kuò)散層（GDL）中一項(xiàng)不可或缺的基底材料, 扮演著膜電極（MEA）與雙極板之間的溝通橋梁角色。
干法成型制備碳纖維紙
干法成型是近年來發(fā)展較快的一種造紙工藝技術(shù)，首先將短切碳纖維經(jīng)開松分散為均勻的單根纖維，再以空氣為介質(zhì)，利用氣流快速成網(wǎng)制備得到原紙，經(jīng)后續(xù)黏結(jié)劑黏結(jié)、熱壓固化、碳化石墨化制備得到碳纖維紙。干法成型過程中的短切碳纖維長度一般為40~50 mm ，制得的碳纖維紙中碳纖維含量高、產(chǎn)品強(qiáng)度高、導(dǎo)電性高，但是，由于碳纖維長度較長，使得碳纖維不易分散，易纏繞打結(jié)，碳纖維之間的相互搭接也會(huì)增強(qiáng)“架橋”效應(yīng)，形成大孔結(jié)構(gòu)，造成碳纖維紙勻度相對(duì)較差，結(jié)構(gòu)疏松。
濕法成型制備碳纖維紙
目前應(yīng)用最廣泛的制備工藝是濕法成型工藝，該工藝是以水為介質(zhì)，將不同長度的短切碳纖維(3~20 mm)均勻分散在水中，利用抄紙機(jī)在濾網(wǎng)上快速真空過濾制備得到碳纖維原紙，經(jīng)后續(xù)樹脂浸漬、熱壓固化和碳化石墨化等過程制備而成。相較于干法成型，濕法成型制備得到的碳纖維紙具有良好的致密性和均勻性，非常適合加工成PEMFC專用碳纖維紙，
燃料電池車市場：預(yù)計(jì)2025年燃料電池汽車碳紙市場需求量500,000平，市場規(guī)模約為3億元；2030年燃料電池汽車碳紙市場需求量461萬平，市場規(guī)模約為18.46億元。
PEM電解水制氫市場：預(yù)計(jì)2025年碳紙用量約為20000平，市場規(guī)模約為1200萬元；據(jù)此計(jì)算，2030年碳紙市場規(guī)模約為1.52億元（碳紙價(jià)格400元/平方）。
成形設(shè)備是各碳紙生產(chǎn)廠家的技術(shù)核心，目前國內(nèi)研究人員主要借鑒造紙成形設(shè)備經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，是否滿足最優(yōu)成形效果還有待生產(chǎn)實(shí)際檢驗(yàn)，且在滿足特殊應(yīng)用場景的單層高定量碳紙成形方面還需要進(jìn)一步攻關(guān)。
樹脂浸漬熱壓設(shè)備也是碳紙連續(xù)化生產(chǎn)中的重要組成，目前浸漬熱壓設(shè)備主要借鑒造紙等行業(yè)的涂布設(shè)備經(jīng)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)室浸漬樹脂后碳紙一般采用平板硫化機(jī)等設(shè)備進(jìn)行熱壓固化，但批量生產(chǎn)時(shí)如何連續(xù)熱壓固化就變得極為困難。
上海聯(lián)凈成功開發(fā)出連續(xù)型碳紙樹脂熱固化壓光一體機(jī)，該設(shè)備具備精確的溫度和壓力控制系統(tǒng)。通過先進(jìn)的溫控系統(tǒng)和壓力調(diào)節(jié)功能，能夠確保在熱壓過程中，碳紙材料達(dá)到均勻且穩(wěn)定的溫度（±2℃）和壓力條件（碳紙壓后厚度偏差≤±1.5%）。這種精確控制對(duì)于保證碳紙的質(zhì)量和性能一致性至關(guān)重要，能夠有效提升碳紙的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)完整性。其次，該設(shè)備采用分段升溫、分段壓力的控制方式，逐步升溫、升壓、保壓固化，實(shí)現(xiàn)多段加壓。這種控制方式使得熱壓過程更加精細(xì)和可控，能夠根據(jù)碳紙的具體工藝要求進(jìn)行調(diào)整，確保每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都能達(dá)到最佳狀態(tài)。
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