西格里SGL燃料电池碳纸介绍

SGL碳开发和商业化聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的碳基产品：气体扩散层(GDL)箔用作燃料电池和氧化还原流动电池(膨胀石墨)的隔板。

SGL碳的气体扩散层(GDL)是典型的双层结构，由大孔支撑材料(碳纤维纸支撑)和微孔碳基层(MPL)组成。纤维基材决定着GDL的力学性能(压缩、弯曲和抗剪强度等方面的行为)。MPL保证与催化剂层的紧密接触，保护脆弱的质子交换膜免受穿孔，并在操作过程中对电池的水管理起到积极作用。人们一致认为，这种结构(亲水/疏水和不同孔径)所带来的非均匀孔隙有利于性能的提高。

气体扩散层双层结构示意图

在基材和MPL中加入一定数量的聚四氟乙烯(PTFE)，以保持其疏水性能。在MPL中可以使用各种类型的碳粒子(炭黑、石墨)来产生不同程度的疏水性。此外，MPL还可作为基底沉积催化剂颗粒，用于制造气体扩散电极(GDEs)。

自1999年以来，SGL碳一直通过卷取工艺生产经过充分处理的SIGRACET气体扩散层.炭纸型(由湿铺制的切盘基碳纤维制成)气体扩散层是首选的解决方案，因为它们可以在高体积(可扩展性)和低厚度的条件下制造。下图显示了GDL制造的整个价值链。到目前为止，所有商业上可用的GDL材料都是以聚丙烯腈(PAN)生产的碳纤维为基础的。聚丙烯腈(CO)聚合物通过湿法纺丝加工成前驱体纤维.随后的稳定和热解产生高拉伸(HT)碳纤维，这些纤维的尺寸和切碎，以使适当的加工利用造纸技术。

碳纤维生产过程

SIGRAFIL短切碳纤维的研制

一种碳纤维网是通过造纸技术和随后的热连接而铺设的。然后，将所得的原纸浸渍碳化热固性树脂(可选择添加碳填料)，固化后再碳化/石墨化。这有助于提高机械稳定性和电导率，以及调整理想的孔隙度水平。

炭纸基片生产过程

SIGRACET(炭纸基)气体扩散层背衬的制造路线

GDL的涂饰包括用PTFE对基体进行疏水处理和用微孔层(MPL)进行涂层。

整理处理过程

SIGRACET(炭纸基)气体扩散层的整理处理过程

A loading of the substrate with 5% (w/w) PTFE has proven to be sufficient for obtaining a pronounced hydrophobicity. MPLs typically contain 20 to 25% PTFE. This MPL composition has been identified as the optimum ratio for PEMFC performance across a broad range of operating conditions. Mean pore diameters of SIGRACET® GDLs are typically in a range from 0.1 to 0.3 µm (Hg-Porosimetry) or 1.5 to 3 µm (calculated from capillary flow porometry). The hydrophobic treatment produces water repellent properties for the substrate and for the MPL (water contact angles by sessile drop method > 130°).

标准SIGRACET GDL等级的典型属性。

SGL Carbon生产的碳纸被业界广泛认可。但是由于其碳纸种类繁多，分类体系复杂，。以下就以其中一种（Sigracet 10）介绍一下SGL Carbon的分类规则：

AA：无PTFE疏水处理，无微孔层MPLs，该型号的碳纸为的生碳纸（Raw Carbon Paper），用于后续的处理或直接使用。

BA：经PTFE疏水处理，无微孔层MPLs。该型号的碳纸只经过PTFE疏水处理。SGL Carbon的MPL通常包含5％到25％的PTFE，该MPL组成已被确定为在广泛的操作条件下PEMFC性能的最佳比例。

BB：有PTFE层有微孔层。该型号的碳纸经过PTFE疏水处理和涂覆有一层MPL（微孔层）

BC:有PTFE层有微孔层。BC型号相较于BB型号，单位面积质量有所增加，透气性和孔隙率都有所降低。

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