液流電池(儲能領域)在全釩液流電池(VRFB,大規模儲能的主流技術之一)中,碳紙是電極的骨架,用于“儲存電解液中的活性物質(釩離子)”并促進電化學反應:多孔結構可吸附大量釩電解液(釩離子濃度1.5-2.0mol/L),增大反應接觸面積;高導電性確保電子在電極與集流體之間傳遞;耐強酸性和抗釩離子氧化的特性,可延長電池壽命(通常要求碳紙在5000次循環后性能衰減<10%)。特種應用:工業與制造領域在對 “耐溫、導電、抗腐蝕” 有特殊要求的工業場景中,碳紙作為 “特種功能材料” 替代傳統金屬或塑料,解決極端環境下的材料失效問題。空冷電堆的優勢:1.已定型兩輪車、無人機氣體擴散層。浙江GDL制造
電解水制氫裝置在質子交換膜電解槽(PEM電解槽,高效制氫技術)中,碳紙同樣作為多孔電極基材,用于陽極(氧氣側)和陰極(氫氣側):陰極側:支撐鉑基催化劑,傳導電子并輸送水分子,同時排出生成的氫氣;陽極側:需耐受酸性環境(pH≈1)和高氧化電位(1.5-2.0V),碳紙的化學穩定性可避免腐蝕,其多孔結構還能減少氧氣生成時的“氣泡阻塞”問題。隨著“綠氫”產業(利用可再生能源制氫)的發展,PEM電解槽需求增長,帶動碳紙用量提升。浙江GDL制造電解水制氫(電解槽),優勢:耐強酸性的環境,GDL在PEM陽極水到催化劑層排出生成氧,陰極擴散氫氣排出水。
作為未來清潔能源市場的重要一極,氫燃料電池的產業化技術必須實現國產可控,而氣體擴散層、催化劑、交換膜是氫燃料電池和PEM電解槽的關鍵零部件,作為業內公認的三大“卡脖子”材料,催化劑和交換膜已陸續實現國產自主。氣體擴散層(GDL)是燃料電池重要組件之一,其主要作用在于:催化劑的載體支撐電機結構導電作用均勻擴散氣體的作用擴散層輸水作用。燃料電池GDL要求:均勻的多孔質結構,透氣性能好電阻率低,電子傳導能力強結構緊密且表面平整,減小接觸電阻,提高導電性能具有一定的機械強度,適當的剛性與柔性,利于電極的制作,提供長期操作條件下電極結構的穩定性適當的親水/憎水平衡,防止過多的水分阻塞孔隙而導致氣體透過性能下降具有較好的化學穩定性和熱穩定性。正是由于對氣體擴散層用材料的嚴苛要求,碳纖維紙以其質量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙均勻且強度高,厚度可根據使用要求調整,適合耐久性燃料電池使用,成為GDL的可選材料。
碳紙國產自主的重要性已無須多言,其生產技術極大程度上決定了產業化進程。在吳剛平博士的帶領下,國科領纖現已打通從碳原紙到氣體擴散層環節的工藝,并攻克了碳紙粘結劑配方與適用性工藝設備,實現了碳紙“點焊接,強粘結”,獲得了專利授權,可為高質量碳紙制備提供技術基礎,同時儲備了下一代工藝,有望實現進一步降本50%。此外,國科領纖擁有強大的設備設計能力,能夠自主設計原紙抄造試驗線、浸膠固化試驗線等設備,為高質量碳紙制備提供硬件基礎;還開發了多項碳紙制備行業技術,可解決碳紙制備過程材料均一性、批次穩定性的問題。數十年磨一劍,技術突圍從來都不是一蹴而就的,尤其是關鍵技術的基礎研究,吳剛平博士的專注與執著不可或缺。在市場放棄氫能戰略的時候,碳紙的基礎研究無疑是一個需要長期坐冷板凳的事業。年復一年,日復一日,他仍保持著高度的專注,非功利化、長期且持續地進行基礎研究和中試試驗,不斷積累經驗,實現了關鍵技術從0到1的突破。微孔層(MPL):部分GDL會在靠近催化劑層的一側添加碳粉和 PTFE的混合層,優化氣體和水的傳輸。
國科領纖于2023年在江蘇常州武進區成立,聚焦氫燃料電池關鍵材料碳紙及相關“卡脖子”材料的技術攻關和產業化,旨在打破國外壟斷、實現關鍵材料國產自主,國科領纖也是目前國內具備從連續纖維處理、碳原紙生產、碳紙生產全流程技術、批量化生產的團隊。創始人為吳剛平博士,其帶領的團隊成員均來自于國內從事氫燃料電池碳紙研究單位——中科院山西煤炭化學研究所。吳剛平博士從該所畢業后,即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,具備扎實的科學研究基礎和豐富的工程化經驗。“目前,國內氫燃料電池用碳紙的產業化制備關鍵材料還處于被國外供應商壟斷狀態,生產依賴進口原材料二次加工,其價格及產量受原材料制約較大,性價比低。有限的產量不足以支撐我國燃料電池產業激增的市場需求,一定程度上阻礙了國內氫能和燃料電池產業國產自主發展。”吳剛平博士表示。優勢:輕量化、高導電性、良好的化學穩定性,適合高功率密度需求的設計。重慶PEM制氫用GDL制造
膜電極用GDL,氣體擴散層!浙江GDL制造
在電解水制氫(尤其是質子交換膜電解池PEMWE、陰離子交換膜電解池AEMWE)中,GDL的作用是“傳輸反應物/產物+導電+支撐催化層”:PEMWE(酸性電解池):GDL分別用于陽極(傳輸水、排出氧氣)和陰極(傳輸氫氣、支撐析氫催化層),需耐酸性、耐氧化(陽極高電位環境),同時具備優異的液體(水)傳輸能力;AEMWE(堿性電解池):GDL需適配堿性環境,傳輸電解液(如KOH溶液)和氣體(氫氣/氧氣),避免堿腐蝕,保障電解效率;應用場景:工業綠氫制備(如化工、鋼鐵脫碳)、可再生能源(風電/光伏)配套儲能制氫,GDL的穩定性直接影響電解池的運行壽命。浙江GDL制造
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