燃料电池用碳纸产业界定及发展历程、分析

第一节 燃料电池用碳纸定义及性质

1、定义

燃料电池用碳纸是用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，以短切碳纤维为原料，用造纸工艺制成一定厚度的纸，再经后处理工艺制成的碳材料电极。

2、性质

（1）优异的电热性能；

（2）导电性能，燃料电池用碳纸的自身电阻、密度、厚度以及加工工艺会影响碳纤维纸的导电性，使碳纤维电阻发生变化。通过控制生产工艺可以得到不同电导率的碳纸。

（3）多孔性，碳纤维是均匀的多孔性材料，加之碳纤维自身表面的比表面积大，碳纤维纸是重要的过滤材料。

（4）燃料电池用碳纸还具有轻量化、耐高温、耐腐蚀等性能。

它同传统的碳材料电极相比，具有体积小，重量轻，孔隙率高，有利于气体扩散，提高了电化学反应的速率和效率等优点。不仅用作质子交换膜-燃料电池的气体扩散层电极材料，还可用于其它电化学装置。

第二节 燃料电池用碳纸发展历程

我国“八五”期间就曾对碳纤维造纸技术作过专门研究，但作为PEMFC电极中的气体扩散层材料的碳纤维纸的研究尚处于起步阶段。近年国内有四五家高校、研究所开展过实验室小试探索，但没有一家能实现小批量生产，离实现产业化有较大差距，无法满足燃料电池的开发和应用需要。浙江省普瑞科技有限公司(浙江省造纸研究所)借助长期从事特种纤维抄造特种功能纸的研究和“八五”期间研究碳纤维纸积累的经验，在实验室小试探索的基础上，为脱除碳纤维纸产业化的主要瓶颈，已进入碳纸基纸机械化抄造的试验阶段。目前国内PEMFC研制所使用的碳纤维纸主要是日本东丽公司的产品，部分选用德国SGL公司或加拿大Ballard公司产品。

在各类燃料电池中,质子 交换膜燃料电池(PEMFC)是研究进程最快、最有 可能在短期内实现产业化的品种,尤其适合作电动 汽车的电源。PEMFC用碳纸是高新 技术产品，必将产生良好的经济 效益。

PEMFC多孔扩散电极材 料国产化将打破发达国家对我 国燃料电池关键材料的封锁，为 我国燃料电池的发展起到重要 的促进作用；也将搭建起高性能 碳纤维在造纸上应用与产业化 的技术平台，为开发和扩大我国 国防与民用高新技术领域的各 类碳纤维纸的应用领域奠定技 术基础。

第三节 全球燃料电池用碳纸市场发展及预测

一、全球燃料电池用碳纸产业发展现状

国外发达国家由于碳纤维工业发展比较早，成本较低，碳纤维纸的生产工艺技术已逐渐趋于成熟。

目前，日本Toray公司申请的碳纤维纸专利较多，且最近几年仍在不断改进完善。US2005100498为日本MITSUBISHI RAYON公司于2003年申请的美国专利，其碳纤维纸以有机高分子化合物为粘结剂，选择平均直径小于5μm，平均长度为3～10mm的碳纤维，并介绍了用此碳纤维纸做多孔碳电极材料的制作方法。

2002年申请的JP2003323897介绍了一种具有高电导性和柔韧性的电极材料和碳纸材料，碳纸包括碳纤维和酸基团取代水溶性苯胺导体聚合物，聚合物还代有硫或羧基团。

二、全球燃料电池用碳纸产业发展态势预测

根据国内外的研究情况,可以得出燃料电池对碳纸的要求为:必须是多孔材料,以便为燃料电池/ 氧化剂提供气体通道;必须是电和热的良导体,以便电极反应中产生的电子顺利导出并及时排放出电池反应产生的废热;必须具有一定的机械强度及拉伸强度以便支持电极的催化层以保证电极热压复合时扩散层的物理结构不变;必须容易进行憎水处理,以保证水不留在电极内,造成电极水淹;必须在燃料电池的环境下长期稳定工作。

第四节 主要国家地区燃料电池用碳纸产业发展及预测

发达国家由于碳纤维工业发展比较早，成本较低，碳纤维纸的生产工艺技术已逐渐趋于成熟。PEMFC多孔气体扩散电极的关键材料碳纤维纸的研制水平较高并能批量供货的主要有加拿大Ballard Material Products公司、德国SGI技术公司和日本东丽公司等少数几家公司。碳纸基纸除采取机械生产外，石墨化工序大多只能采用间歇式工艺，极大地限制了碳纤维纸供应量的增长。

关于燃料电池的碳纤维纸 和多孔碳电极基材料的专利有许多。其中以日本公司专利为多。

随着世界对经济、高效、清洁利用能源和开发新型能源需求不断的增长，碳纸作为燃料电池不可缺少的材料，降随着燃料电池的的快速发展而促进产业不断壮大。

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