北京水冷电堆用气体扩散层制造

国科领纤于2023年在江苏常州武进区成立，聚焦氢燃料电池关键材料碳纸及相关“卡脖子”材料的技术攻关和产业化，旨在打破国外垄断、实现关键材料国产自主，国科领纤也是目前国内具备从连续纤维处理、碳原纸生产、碳纸生产全流程技术、批量化生产的团队。创始人为吴刚平博士，其带领的团队成员均来自于国内从事氢燃料电池碳纸研究单位——中科院山西煤炭化学研究所。吴刚平博士从该所毕业后，即从事碳纤维应用基础、工程化、燃料电池气体扩散层用碳纸研究，至今已有二十余年，具备扎实的科学研究基础和丰富的工程化经验。“目前，国内氢燃料电池用碳纸的产业化制备关键材料还处于被国外供应商垄断状态，生产依赖进口原材料二次加工，其价格及产量受原材料制约较大，性价比低。有限的产量不足以支撑我国燃料电池产业激增的市场需求，一定程度上阻碍了国内氢能和燃料电池产业国产自主发展。”吴刚平博士表示。气体扩散层传递电子，构建 “电流通路”。北京水冷电堆用气体扩散层制造

液流电池（储能领域）在全钒液流电池（VRFB，大规模储能的主流技术之一）中，碳纸是电极的骨架，用于“储存电解液中的活性物质（钒离子）”并促进电化学反应：多孔结构可吸附大量钒电解液（钒离子浓度1.5-2.0mol/L），增大反应接触面积；高导电性确保电子在电极与集流体之间传递；耐强酸性和抗钒离子氧化的特性，可延长电池寿命（通常要求碳纸在5000次循环后性能衰减＜10%）。特种应用：工业与制造领域在对 “耐温、导电、抗腐蚀” 有特殊要求的工业场景中，碳纸作为 “特种功能材料” 替代传统金属或塑料，解决极端环境下的材料失效问题。山西AEM制氢用气体扩散层碳纸为生碳纸和疏水处理碳纸（5-30%）碳纸是气体扩散层（GDL）主要材料之一。

生产加工成本：占总成本25%-40%（技术壁垒）碳纸的生产需经过“成纸-预氧化-碳化-石墨化”等多道高温、高精度工序，设备费用大、能耗高、生产周期长，是成本的重要组成部分：1.基材成型阶段（占加工成本15%-25%）将碳纤维与粘结剂混合，制成均匀的纸状基材，成本来自：设备成本：需使用“高精度湿法成型机”（避免纤维团聚）、“定量注意装置”（确保碳纸厚度均匀，误差＜5μm），单台设备约500-2000万元，折旧成本高；人工与能耗：成型过程需严格注意湿度（40%-60%）、温度（25-30℃），车间洁净度要求达万级，空调与洁净系统能耗约占该阶段能耗的60%。

导电性能指标：影响“能量损耗”与“输出效率”GDL需高效传输电子，相关指标决定系统的“欧姆损耗”（电化学系统主要能量损耗之一），关键指标包括：体积电阻率/面电阻体积电阻率：电流垂直穿透GDL时的电阻（单位：mΩ・cm），反映GDL本体的导电能力；面电阻：电流沿GDL平面扩散时的电阻（单位：mΩ/sq），影响气体分布均匀性。意义：电阻率越低，电子传输损耗越小。典型范围：体积电阻率＜10mΩ・cm（石墨化碳纸），面电阻＜50mΩ/sq。影响因素：碳纤维的石墨化程度（石墨化越高，电阻率越低）、孔隙率（孔隙率过高会增加电子传输路径）、压紧力（组装时压紧力不足会增大接触电阻）。接触电阻定义：GDL与相邻部件（双极板、催化层）界面处的电阻（单位：mΩ・cm²），由界面平整度、表面粗糙度与压紧力决定。意义：接触电阻是欧姆损耗的重要来源，若过大（如＞100mΩ・cm²），会导致系统整体内阻升高，功率输出下降。优化方式：通过打磨双极板表面、增加GDL表面平整度（如MPL涂层）、施加合适压紧力（1~3MPa）降低接触电阻。疏水性碳纸常用聚四氟乙烯(PTFE)浸渍或涂层，形成防水表面。

电解水制氢设备（如PEM电解槽）在绿色制氢技术中，质子交换膜电解槽（PEMEC）通过电解水生成氢气和氧气，GDL分别应用于阴极（产氢侧）和阳极（产氧侧）：阴极GDL：促进水分子扩散至催化层，同时将生成的氢气及时导出（避免气体滞留影响电解效率）；阳极GDL：耐受高氧化性环境（产氧过程伴随强氧化），并传输氧气和电解液；此外，GDL需具备优异的耐腐蚀性（应对酸性电解液）和机械强度，适应电解槽的高压运行环境。5.其他新兴领域除上述主流场景外，GDL还在以下领域逐步应用：金属-空气电池（如锌-空气电池）：作为空气正极的“气体通道”，实现氧气从大气扩散至催化层，同时排出反应产物；传感器（如气体传感器）：利用其多孔结构和导电特性，实现目标气体的快速扩散与信号传导，提升传感器的响应速度和灵敏度；电催化反应器（如CO₂还原反应装置）：为CO₂气体、电解液与催化层提供三相接触界面，促进CO₂高效还原为甲醇、乙烯等化学品。综上，气体扩散层的应用逻辑是“解决气-液-固三相界面的传质、导电与产物排出问题”，因此其性能（如孔隙率、透气性、导电性、耐腐蚀性）直接决定了相关设备的效率、寿命和成本，是新能源（氢能、储能）领域不可或缺的关键材料。GDL具体包括气体输送功能、排水功能、支撑功能、导电功能和导热功能。福建膜电极用气体扩散层

在燃料电池工作中GDL起着传输反应介质、排出电化学产物、热和电传导的作用。北京水冷电堆用气体扩散层制造

截至2024年5月，碳纸（尤其是燃料电池级）的成本较高（约200-300元/㎡），制约其大规模应用，行业主要通过以下方向降本：原材料“低成本PAN基碳纤维”（如回收碳纤维再生利用）、“生物基粘结剂”（如木质素树脂，成本降低30%-50%）；工艺优化：采用“连续式石墨化炉”缩短生产周期（从5天降至1天）、“惰性气体循环利用系统”减少气体消耗（降低20%-30%）；规模化生产：当产能从10万㎡/年提升至100万㎡/年时，单位加工成本可降低30%-40%（摊薄设备折旧与固定成本）；检测效率提升：开发“在线实时检测系统”（如原位电阻监测），替代离线抽样检测，缩短检测周期并降低品控损耗。综上，碳纸的成本由“高纯度原材料”和“高温高精度加工”决定，场景的性能要求进一步放大了这些成本因素，而规模化、技术迭代是未来降低成本的关键路径。北京水冷电堆用气体扩散层制造

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