低温制备具有高机械强度和高性能的质子交换膜燃料电池炭纸

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Low-temperature fabrication of proton exchange membrane fuel cell carbon papers with high mechanical strength and high performance

　　郭海鹏|周海仑|刘明扬|舒庆珠|于俊凯|安长胜|李国军|李春阳|赵红
大连交通大学材料科学与工程学院，中国辽宁大连116000

**摘要**
本研究提出了一种低温制备方法，用于制造具有高强度和优异整体性能的燃料电池碳纸（CPs）。其核心概念是“硼（B）促进的低温石墨化”结合超声浸渍技术。碳纸预制体在含有硼酸的酚醛树脂溶液中经过超声处理后，再经过热压固化、碳化和2000°C下的石墨化处理。适量的硼掺杂可提高石墨化程度并降低电阻，而过量的硼会导致孔隙堵塞和机械性能下降。超声浸渍确保了树脂和硼的均匀分布，从而平衡了导电性、机械性能和透气性。优化后的基于碳纸的气体扩散层（GDL）达到了1.785 W cm?2的峰值功率密度，优于商用碳纸（1.605 W cm?2）。与传统石墨化方法（>2500°C）相比，本研究减少了20–30%的能量消耗，并缩短了热处理时间，为高性能GDL基底提供了一种成本效益高且工业上可行的策略。

**引言**
随着全球能源系统向低碳和资源高效发展转型，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）[1]因其在中等至低温下的高效能量转换、快速启动以及紧凑的系统设计而得到广泛应用[2]。作为连接流场和催化剂层的膜电极组件（MEA）中的关键部件，气体扩散层（GDL）不仅要有效输送和管理反应气体及液态水，还必须具备良好的电子传导性和机械支撑性[3,4]。其孔隙结构、导电网络和机械完整性共同决定了电池在实际工作条件下的效率与可靠性[5]。Wen和Zhou系统总结了GDL结构工程和组件集成方面的最新进展[6]；此外，基于根状结构的创新MPL设计被证明能显著提升燃料电池性能[7]。

**GDL优化进展**
近期GDL优化的研究重点在于改进疏水处理工艺以增强水管理和整体电池性能。例如，Chen等人发现调整孔隙结构和疏水性可以有效提升GDL的水传输能力[8]；水热沉积（HD）也被证明是增强GDL疏水性的有效方法，可在常温和工作温度下提高其保水能力[9]；同时，提高GDL的疏水性和导电性能够提升PEMFC的电化学性能[10]。这些研究表明疏水处理在GDL工程中的关键作用。

碳纸（CPs）是气体扩散层（GDL）最常用的基底，通常通过切碎的聚丙烯腈（PAN）基碳纤维经制浆、酚醛树脂浸渍、热压、碳化及后续石墨化工艺制备[11,12]。理想的碳纸基底应同时具备高导电性、合适的孔隙结构及良好的机械稳定性。但由于树脂基碳材料本身难以石墨化，传统制备方法常依赖高温石墨化来获得足够高的导电性[13,14]。为克服这些难题， recent研究采用了引入导电填料等策略[15,16,17]；电纺技术也被用于定制GDL的孔隙结构[18,19,20]，从而提升多功能性和机械性能。

**本研究方法**
本研究通过改进浸渍工艺（采用超声浸渍）来缓解上述问题。超声处理利用空化效应增强树脂在碳纸内部的渗透，减少局部团聚，提高浸渍均匀性和界面连续性[35,36]。与传统疏水处理方法不同，本研究在制备过程中直接作用于碳纸本身，从而同时优化导电性、机械强度和孔隙结构。具体而言，boron掺杂实现低温石墨化，超声浸渍确保硼前驱体和树脂在碳纸中的 deeper and more uniform 分布[37]。

**结果与讨论**
实验结果表明，优化后的GDL使得导电性、透气性和机械性能达到较好平衡。拉摩光谱（Raman spectroscopy）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）进一步分析了石墨化程度和硼的化学状态变化。单电池测试验证了该GDL作为PEMFC基底的实际性能。

**材料与试剂**
所用材料包括：热固性酚醛树脂（GM2130，粘度50 Mpa.s，固含量35%）、炭黑粉末（Vulcan XC-72R，Cabot）、硼酸（纯度AR级）、无水乙醇（AR级，99.9%）、基于PAN的碳纤维（长度3 mm，直径7 μm，碳含量≥93%）、聚四氟乙烯（PTFE）分散液；商用碳纸（TanJi，型号CPM19，中国制造，厚度170 μm，表面密度45 g/m2）。

**制备过程**
碳纸的制备步骤如下：首先将热固性酚醛树脂与碳纤维复合材料混合，然后进行超声浸渍、热压固化、碳化和石墨化处理。

**结论**
本研究通过“硼促进的石墨化”与超声浸渍的协同作用，在较低温度下制备了高导电性和高强度的燃料电池碳纸，验证了硼掺杂和超声浸渍在调节微结构中的互补作用。

**作者贡献声明**
郭海鹏：概念构思、数据分析、方法研究、初稿撰写；周海仑：数据收集、方法研究、验证与编辑；刘明扬：数据整理与验证；于俊凯：数据收集；安长胜：项目经费筹集、项目管理与监督；李春阳：项目经费筹集；赵红：项目经费筹集与项目管理。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本研究结果的财务竞争关系或个人利益关联。

**致谢**
本研究得到了大连市科学技术基金会（2022JJ11CG005）、国家自然科学基金（22075035）、湖南省应用环境光催化重点实验室开放基金（2214503）、国家自然科学基金（22478450）及四川省科技教育联合基金（2025NSFSC2057）的支持。