你敢信嗎？一張看似普通的“紙”，價格卻堪比黃金，還能決定新能源汽車和航天飛行器的性能！這可不是普通的書寫紙，而是燃料電池里的核心材料——燃料電池用碳紙。今天咱們就來揭開它的神秘面紗...

你敢信嗎？一張看似普通的 “紙”，價格卻堪比黃金，還能決定新能源汽車和航天飛行器的性能！這可不是普通的書寫紙，而是燃料電池里的核心材料 —— 燃料電池用碳紙。今天咱們就來揭開它的神秘面紗，看看這張 “黑科技紙” 到底藏著什么秘密。

一、燃料電池用碳紙：新能源心臟的 “守護(hù)者”

燃料電池用碳紙，專業(yè)術(shù)語叫氣體擴(kuò)散層（Gas Diffusion Layer, GDL），是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的關(guān)鍵角色。它由含碳量超 90% 的碳纖維，通過濕法工藝精心打造而成。別小瞧這張 “紙”，它可是身負(fù)多項絕技：

超強(qiáng)導(dǎo)電性：

碳纖維就像一群緊密協(xié)作的 “導(dǎo)電小兵”，無序排列形成高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，電阻率低到超乎想象，比普通碳紙導(dǎo)電能力強(qiáng)太多。

精準(zhǔn)孔隙率：

它的孔隙率保持在 50%-80%，而且分布均勻，就像精密設(shè)計的 “高速公路網(wǎng)”，讓氫氣和氧氣暢通無阻，同時還能巧妙地管理液態(tài)水，實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。

防水小能手：

表面涂覆的聚四氟乙烯（PTFE）層，就像給碳紙穿上了一件 “防水外套”，有效防止水淹電極，保障燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行。

硬核機(jī)械強(qiáng)度：

在電池組裝時，它能輕松承受壓合壓力，抗拉強(qiáng)度高達(dá) 20MPa 以上，比普通紙張堅韌無數(shù)倍。

說到這，就不得不提日本東麗碳紙（TGP-H 系列），它可是燃料電池碳紙界的 “明星產(chǎn)品”。厚度約 190μm，PTFE 含量在 5%-20%，豐田 Mirai 燃料電池汽車就用它來作為氣體擴(kuò)散層，足見其性能卓越。

二、普通碳紙 VS 燃料電池用碳紙：云泥之別

普通碳紙，也就是工業(yè)或?qū)嶒炇页Ｓ玫奶祭w維紙，和燃料電池用碳紙相比，簡直是 “青銅” 與 “王者” 的差距。

從功能需求上看，普通碳紙只要滿足基礎(chǔ)導(dǎo)電性或隔熱性就行，不用考慮復(fù)雜的氣體擴(kuò)散和水管理問題；在工藝方面，普通碳紙沒有 PTFE 涂層和微孔層優(yōu)化，碳纖維排列松散，孔隙率分布雜亂無章；價格更是天差地別，普通碳紙每平方米只要 100 元左右，而燃料電池碳紙價格超 1000 元 /㎡，相差近 10 倍！

比如實(shí)驗室常用的 AvCarb GDS 系列碳布，雖然也是碳纖維材料，但以編織結(jié)構(gòu)為主，表面粗糙，更適合用于科研場景的催化劑負(fù)載測試，和燃料電池用碳紙完全不在一個 “賽道”。

三、“魔法” 是如何煉成的？碳紙制備大揭秘

1. 濕法成型制備碳纖維紙

目前應(yīng)用最廣泛的制備工藝是濕法成型工藝，該工藝是以水為介質(zhì)，將不同長度的短切碳纖維(3~20 mm)均勻分散在水中，利用抄紙機(jī)在濾網(wǎng)上快速真空過濾制備得到碳纖維原紙，經(jīng)后續(xù)樹脂浸漬、熱壓固化和碳化石墨化等過程制備而成。相較于干法成型，濕法成型制備得到的碳纖維紙具有良好的致密性和均勻性，非常適合加工成PEMFC專用碳纖維紙，

2. 干法成型制備碳纖維紙

干法成型是近年來發(fā)展較快的一種造紙工藝技術(shù)，首先將短切碳纖維經(jīng)開松分散為均勻的單根纖維，再以空氣為介質(zhì)，利用氣流快速成網(wǎng)制備得到原紙，經(jīng)后續(xù)黏結(jié)劑黏結(jié)、熱壓固化、碳化石墨化制備得到碳纖維紙。干法成型過程中的短切碳纖維長度一般為40~50 mm ，制得的碳纖維紙中碳纖維含量高、產(chǎn)品強(qiáng)度高、導(dǎo)電性高，但是，由于碳纖維長度較長，使得碳纖維不易分散，易纏繞打結(jié)，碳纖維之間的相互搭接也會增強(qiáng)“架橋”效應(yīng)，形成大孔結(jié)構(gòu)，造成碳纖維紙勻度相對較差，結(jié)構(gòu)疏松。

四、應(yīng)用領(lǐng)域：從地面到太空的 “全能選手”

在燃料電池汽車領(lǐng)域，碳紙的性能直接影響車輛的動力和續(xù)航。隋殿鵬的研究團(tuán)隊就做過實(shí)驗，使用不同型號的 Toray 碳紙制備膜電極，發(fā)現(xiàn)厚碳紙 TGP-H-028 對自增濕發(fā)電性能更有利，最大功率密度比薄碳紙 TGP-H-030 高 0.05 W/cm2 左右；對 Toray TGP-H-060 碳紙進(jìn)行聚四氟乙烯乳液疏水處理時，當(dāng)聚四氟乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 20% - 40% 時，MEA 的自增濕電性能隨著升高而增大，最大功率密度能達(dá)到 0.25 W/cm2 左右，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)升到 60% 時，電性能反而下降。

2. 航天與軍工：太空探索的 “幕后英雄”

在航天與軍工領(lǐng)域，楊鎧的研究團(tuán)隊深入研究雙極板與氣體擴(kuò)散層接觸電阻的形成機(jī)理，通過建立數(shù)學(xué)模型和仿真工具，分析溫度、載荷以及粗糙度等因素的影響，并進(jìn)行金屬雙極板和碳紙氣體擴(kuò)散層的界面接觸電阻測試。研究成果對于提升航天設(shè)備和軍工裝備中燃料電池的性能至關(guān)重要。

五、行業(yè)痛點(diǎn)與國產(chǎn)化機(jī)遇

熱壓機(jī)（壓光機(jī)）作為造紙工業(yè)關(guān)鍵的整飾設(shè)備，其核心工作原理是通過軟輥與硬輥、硬輥與硬輥的組合形成的多級壓區(qū)，在機(jī)械壓力與熱力協(xié)同作用下，實(shí)現(xiàn)紙張表面性能的優(yōu)化。經(jīng)過處理的紙張能夠顯著提升平滑度、光澤度、緊密度及透明度，同時有效改善表面結(jié)構(gòu)，減少掉粉掉毛現(xiàn)象，進(jìn)而提升紙張的外觀品質(zhì)與物理性能指標(biāo)。

這個看似簡單的工序，實(shí)則需要將溫度控制精度保持在±0.5℃、壓力波動不超過0.1MPa，同時實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。而熱壓機(jī)（壓光機(jī)）長期依賴進(jìn)口，面臨價格高昂、交期漫長、維護(hù)不便等難題。日本某設(shè)備制造商曾直言："沒有三十年的工藝積累，中國不可能造出合格的熱壓機(jī)（壓光機(jī)）。"

中國上海聯(lián)凈電子公司深耕非標(biāo)設(shè)備制造領(lǐng)域，憑借自主創(chuàng)新突破技術(shù)瓶頸，推出國產(chǎn)化熱壓設(shè)備整體解決方案，以性能比肩進(jìn)口、成本優(yōu)勢顯著、服務(wù)響應(yīng)高效的特點(diǎn)，助力企業(yè)降本增效，推動產(chǎn)業(yè)鏈自主可控。

▲熱壓設(shè)備（來源：聯(lián)凈復(fù)合材料）

核心優(yōu)勢：技術(shù)硬實(shí)力

該公司的熱壓機(jī)（壓光機(jī)）是實(shí)現(xiàn)高性能特種紙（芳綸紙、碳紙、RO膜等）生產(chǎn)的核心裝備之一。該設(shè)備通過集成超高線壓力壓光技術(shù)、精準(zhǔn)溫控系統(tǒng)及工藝優(yōu)化設(shè)計，顯著提升產(chǎn)品的均一性和穩(wěn)定性。

采用二級熱壓與精準(zhǔn)溫控系統(tǒng)

該公司熱壓設(shè)備采用二級熱壓方式，在熱壓過程中對紙張進(jìn)行多階段處理。分為預(yù)壓段與熱壓段，溫度波動范圍嚴(yán)格控制在±1℃以內(nèi)。精準(zhǔn)的溫度管理確保了特種紙張在熱壓條件下的塑化黏合機(jī)制，使抗拉強(qiáng)度、厚度均勻性及斷裂伸長率等性能指標(biāo)顯著提升。

▲熱壓設(shè)備（來源：聯(lián)凈復(fù)合材料）

熱壓輥采用該公司的專利技術(shù)的電磁感應(yīng)加熱輥，鍛造合金鋼；機(jī)械精度：±0.001mm（@RT），±0.005mm（@PT）；最高溫度450℃，輥面溫差±1℃；輥體硬度≥HRC58，硬化深度度≥8mm。

▲熱壓輥圖（來源：聯(lián)凈電子）

高溫?zé)崮スに嚰爸懈咴O(shè)計：

高溫?zé)崮ゼ夹g(shù)：該公司攻克了加熱輥450℃的熱磨工藝，使加熱輥在高溫工藝條件下，輥筒機(jī)械精度得到保證。

輥體中高設(shè)計：采用精確計算在特定溫度和壓力下輥筒的變形量，根據(jù)變形量設(shè)計加熱輥對應(yīng)的中高，結(jié)合高溫?zé)崮スに噷⑤佂苍O(shè)計為“紡錘形”。輥筒的中高可彌補(bǔ)在受壓之后的變形，保證輥壓后的紙張厚度高度均勻性。

▲輥中高圖（來源：聯(lián)凈自動化）

熱壓機(jī)（壓光機(jī)）的組成：

熱壓機(jī)包括放卷系統(tǒng)、雙輥預(yù)熱系統(tǒng)、雙組輥壓系統(tǒng)、雙輥冷卻和收卷系統(tǒng)，各系統(tǒng)組成部分：放卷張力系統(tǒng)，輥壓速度系統(tǒng)，收卷張力系統(tǒng)，放卷糾偏系統(tǒng)，間隙調(diào)整系統(tǒng)，收卷糾偏系統(tǒng)，放卷氣脹軸，輥壓壓力系統(tǒng)，收卷氣脹軸，切刀平臺，收卷輔助穿帶系統(tǒng)，放卷輔助穿帶系統(tǒng)。

▲熱壓設(shè)備（來源：聯(lián)凈復(fù)合材料）

▲熱壓設(shè)備（來源：聯(lián)凈復(fù)合材料）

▲熱壓設(shè)備（來源：聯(lián)凈復(fù)合材料）

六、結(jié)語

一片薄薄的碳紙，不僅是新能源賽道的 “心臟瓣膜”，更是大國科技博弈的關(guān)鍵戰(zhàn)場。當(dāng)日本企業(yè)斷言 “三十年造不出熱壓機(jī)” 時，中國企業(yè)用自主創(chuàng)新打破壟斷 —— 上海聯(lián)凈電子以 ±1℃溫控精度、450℃高溫?zé)崮スに?，讓國產(chǎn)碳紙制備設(shè)備性能比肩國際，成本直降 30% 以上。

如今，從燃料電池汽車的續(xù)航突破，到航天器的能源革新，這張 “黑金紙” 正見證著中國從材料進(jìn)口到技術(shù)輸出的蛻變。隨著國產(chǎn)設(shè)備量產(chǎn)化加速，未來碳紙或許不再是 “奢侈品”，而是驅(qū)動全球能源轉(zhuǎn)型的 “中國引擎”。