2025-10-18 16:43:32
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500-1000m?),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。擁有自主設計、定制的設備!寧夏水冷電堆用碳紙制造
氫燃料電池(主要應用)在質子交換膜燃料電池(PEMFC,氫燃料電池的主流技術路線)中,碳紙是氣體擴散層(GDL)的基材,位于“膜電極(MEA)”與“雙極板”之間,是燃料電池發電的“關鍵橋梁”,具體功能包括:氣體傳輸:多孔結構(孔隙率30%-50%)可均勻分配氫氣/氧氣到膜電極表面,確保反應氣體充分接觸催化劑;電子傳導:高導電性(體積電阻率<10mΩ?cm)可將反應產生的電子傳導至雙極板,形成外部電流;水管理:經聚四氟乙烯(PTFE)疏水處理后,可排出反應生成的水(避免電解液“水淹”催化劑),同時防止電解液滲透;散熱與支撐:良好的導熱性可帶走反應熱量,避免局部過熱;機械強度可支撐膜電極,防止組裝時破損。目前,車用氫燃料電池(如豐田M、國內比亞迪氫能車)、便攜式燃料電池(如無人機、應急電源)均依賴高品級碳紙,且對碳紙的“薄型化(厚度0.1-0.2mm)、低電阻率、高抗折性”要求極高。甘肅碳紙制造碳紙疏水改性 —— 避免 “水淹” 阻斷氣體通道。
檢測成本(占該模塊成本30%-40%)碳紙需全項檢測,確保性能一致性,檢測項目與成本包括:性能檢測:導電性(四探針電阻儀,單臺約50萬元)、孔隙率(壓汞儀,單臺約200萬元)、耐腐蝕性(電化學工作站,單臺約100萬元),每批次抽樣檢測率需達10%以上;可靠性測試:如燃料電池碳紙需進行“1000次干濕循環測試”“5000次彎曲測試”,測試周期長(約1-2周),且需模擬環境設備(約500-1000萬元);品控損耗:碳紙的成品率較低(如燃料電池級碳紙成品率約60%-80%),不合格品需報廢,進一步推高單位成本。
國科領纖,聚焦氫燃料電池關鍵材料碳紙及相關材料的技術攻關和產業化,致力于實現關鍵材料國產化。創始人吳剛平博士從事碳纖維應用基礎、工程化、燃料電池氣體擴散層用碳紙研究,至今已有二十余年,國科領纖也是目前國內具備連續纖維處理、碳原紙生產、碳紙生產全流程技術及批量化生產能力的團隊。氣體擴散層、催化劑、交換膜是氫燃料電池和PEM電解槽的三大關鍵零部件。目前,催化劑和交換膜已陸續實現國產自主,而碳紙作為氣體擴散層的基材,是制約我國氫燃料電池領域發展的基礎材料。受制于碳纖維、碳纖維原紙、石墨化和后處理等復雜工藝及裝備,我國至今未能實現碳紙量產,國內氫燃料電池用碳紙的產業化制備關鍵材料仍然由國外供應商所主導。因此,碳紙也被稱之為燃料電池材料國產化的“一個壁壘”。氫燃料電池用GDL,氣體擴散層!碳紙!
作為氣體擴散層的基材,碳紙的制備,除了準備原料、打漿抄紙、浸漬、固化這些步驟,還需碳化、石墨化處理。而氣體擴散層的制備一般稱為抄紙制程,在制程中還必須改善碳紙原料特性、導電性以及化學安定性。其方法為以碳纖維紙為基礎再添加碳復合材料混合后熱處理,其制程中還可以添加適當的中間原料并配合使用的特性研發出相同的碳紙。方法為以碳纖維紙為基礎再添加碳復合材料混合后熱處理,其制程中還可以添加適當的中間原料并配合使用的特性研發出相同的碳紙。碳紙在造紙階段前必須先將連續長絲纖維切斷成為3~12mm之間的短纖維段,組成短纖維段后的制程依序分為1.抄紙,2.含浸復合樹脂,3.熱壓成形,4.碳化處理以及5.石墨化處理。復雜的工藝決定了碳紙是當前制約我國氫燃料電池領域發展的基礎材料,受制于碳纖維、碳纖維原紙、石墨化和后處理等復雜工藝及裝備,我國至今未能實現量產碳紙。目前可應用在燃料電池氣體擴散層的碳紙生產廠商有TORAY、SGL、Ballard、Avcarb、中國臺灣碳能等公司。因此,碳紙也被稱之為燃料電池材料國產化的“一個壁壘”。碳紙耐受惡劣工況,延長使用壽命。黑龍江膜電極用碳紙生產廠家
疏水性碳紙碳化在1600℃,石墨化在2000以上℃。寧夏水冷電堆用碳紙制造
柔性電子與傳感器柔性電極:將碳紙與柔性聚合物(如聚酰亞胺)復合,可制成柔性電池、柔性太陽能電池的電極,具備“可彎曲、可折疊”特性(彎曲1000次后導電性衰減<5%),適用于可穿戴設備(如智能手環、柔性屏);氣體傳感器:碳紙的多孔結構可吸附目標氣體(如甲醛、NO?),氣體與碳紙表面發生反應后會改變其電阻,通過檢測電阻變化可實現“實時氣體濃度監測”,且響應速度快(<10秒)、穩定性高。2.催化載體在多相催化反應(如CO?還原、有機合成)中,碳紙可作為“催化劑載體”:表面可負載金屬納米顆粒(如銅、鉑),多孔結構可增大催化劑分散度(提升催化效率);高導電性可用于“電催化反應”(如CO?電還原制甲醇),同時自身化學惰性不參與反應,可重復使用(循環50次后催化活性保留>80%)。寧夏水冷電堆用碳紙制造
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