Page 133 - 《精细化工）》2023年第10期

第 10 期 刘 城，等: 亲疏水交替碳纸的制备及其在气体扩散层中的应用 ·2211·

亲水角，且其接触角介于 125°~130°。碳纸的水接触 无差别疏水处理碳纸的疏水剂含量略低于亲疏水交
角大小主要与疏水剂含量有关，由于亲疏水交替处 替碳纸的疏水区，因此其导电性也较亲疏水交替碳
理碳纸亲水区氟质量分数很低，近乎为零，导致该 纸疏水区好，但与亲疏水交替碳纸亲水区相比，电
区域的 PTFE 多以点的形式存在（图 2b），无法形成 阻率显著增加，导电性相对较差。由于亲疏水交替
连续的 PTFE 薄膜，因而，该区域表现出亲水性；而 碳纸亲水区的导电性较无差别疏水碳纸以及亲疏水
亲疏水交替处理碳纸疏水区氟质量分数高，氟元素质 交替碳纸疏水区好，在单电池装配时，当设定亲疏
量分数为 32.46%（表 1），结合 EDS（图 2d）发现该 水交替碳纸亲水区与双极板脊接触，可以降低碳纸
区域的 PTFE 已经连成一片，形成了完整的 PTFE 与双极板之间的接触电阻，减小因碳纸电阻过大造
薄膜，进而展现出良好的疏水性。经过无差别疏水 成的能量损耗，增强碳纸收集并传导电子至双极板
处理的碳纸，氟元素质量分数为 25.09%，与亲疏水 的能力，从而提高燃料电池的性能。
交替处理碳纸疏水区相比，其氟元素质量分数略低， 2.5 TP 透气性分析
因此，接触角也相对减小。 透气性是评价 GDL 性能的关键指标，GDL 的
2.4 TP 电阻率分析 透气性越好，说明 GDL 的扩散效率越高，越有利于
燃料电池的内阻包括集流板电阻、极板电阻、 反应气体从双极板流道经 GDL 扩散并进入催化层
膜电极电阻以及电池各部件之间的接触电阻，减少 参与电化学反应。用透气率测定仪对碳纸的 TP 透
极板与碳纸之间的接触电阻对提高电池性能具有重 气率进行测试，结果如图 4 所示。
要意义，而影响极板与碳纸之间接触电阻的一个重
要因素就是碳纸的电阻 [15] 。为探究碳纸经亲疏水交
替处理、经无差别疏水处理后导电性能的变化，用
数字式微欧计测量了亲疏水交替碳纸的亲水区域和
疏水区域、无差别疏水处理碳纸的 TP 电阻率，结
果如图 3 所示。由图 3 可知，碳纸在经过亲疏水交
替处理后，亲水区的 TP 电阻率远小于疏水区。而
无差别疏水处理碳纸的 TP 电阻率介于亲疏水交替
碳纸的亲水区与疏水区之间。

图 4 不同方式疏水处理后碳纸的 TP 透气率
Fig. 4 TP permeability of carbon paper after hydrophobic
treatment in different ways

亲疏水交替处理碳纸的 TP 透气率为 90.61
2
mL·mm/ (cm ·h·Pa)，而无差别疏水处理碳纸的 TP 透
2
气率为 83.71 mL·mm/(cm ·h·Pa)。与采用无差别疏水
处理的碳纸相比，采用亲疏水交替处理的碳纸，其
平均透气率提高了 8.24%。采用传统的无差别疏水
处理，会使疏水剂无差别地黏附在碳纤维和碳纤维

图 3 碳纸的亲水区与疏水区的 TP 电阻率 彼此交织形成的孔隙之间，对碳纸的透气性影响较
Fig. 3 TP resistivity between hydrophilic region and 大。当对碳纸做亲疏水交替处理时，碳纸会被划分
hydrophobic region of carbon paper
为亲水区和疏水区两个部分，虽然疏水区存在大量
由于 PTFE 本身不导电，因此，作为碳纸疏水 的疏水剂，该区域的透气性会有一定程度的下降，
处理最常用的材料，PTFE 的加入一方面增强了碳纸 但亲水区的疏水剂含量几乎为零，因此该区域的透
的排水能力，但另一方面也导致碳纸的导电性能下 气性与未疏水的碳纸相当。综合比较，采用亲疏水
降。通过对碳纸做亲疏水交替处理，可以使碳纸上 交替处理的碳纸要比采用无差别疏水处理的碳纸具
的疏水剂呈不均匀分布。结合图 2 和表 1 分析，亲 有更好的透气率，从而更有利于燃料电池的气体传质。
疏水交替碳纸亲水区的疏水剂含量近乎为零，疏水 2.6 单电池电化学性能分析
剂几乎全部位于疏水区，从而导致亲水区的电阻率 为了探究亲疏水交替 GDL 与无差别疏水 GDL
相对较低，导电性能良好，而疏水区的电阻率显著 对燃料电池性能的影响，采用质量分数 10%的 PTFE
升高，导电性能下降。进一步结合图 2 和表 1 分析， 乳液对碳纸分别做亲疏水交替处理和无差别疏水处