为了制备用于燃料电池的碳纸，需要对其进行PTFE（聚四氟乙烯）涂层处理。这种处理至关重要，因为它使多孔纸具有疏水性，即防水性。这种特性对于防止“水淹”状况至关重要，因为过多的水会阻碍反应气体流动，从而确保燃料电池能够高效运行。
燃料电池的核心挑战不仅在于发电，还在于管理其产生的水。用PTFE处理碳纸将其从简单的导电体转变为复杂的气体扩散层（GDL），旨在排出液态水，同时允许反应气体到达催化剂。
碳纸作为气体扩散层的作用
燃料电池中水的双重性质
在聚合物电解质膜（PEM）燃料电池中，水是质子通过膜传导的必要组分。然而，水也是电化学反应的副产物。
如果这种产物水不能有效去除，它就会积聚在碳纸的孔隙中，物理性地阻碍反应气体（氢气和氧气）到达催化剂层。
防止“水淹”
这种堵塞被称为水淹。它本质上是使燃料电池缺乏燃料，导致性能急剧下降，并可能完全停止运行。碳纸处理的主要目标是防止这种情况发生。
疏水处理过程
PTFE涂层
关键的处理方法是用一层薄而均匀的PTFE涂覆碳纸，PTFE是一种以其不粘和防水特性而闻名的聚合物（例如特氟龙）。
这种涂层不会完全密封纸张。相反，它会涂覆多孔结构内的碳纤维，将其表面特性从亲水性（吸水）变为疏水性（拒水）。
它如何管理水
当水滴在PTFE涂层纤维上形成时，它们会被积极地推出孔隙并进入流道，在那里它们可以从电池中排出。这保持了气体通道的畅通，并维持了燃料电池的稳定运行。
了解权衡和实际挑战
物理处理和脆性
在任何化学处理之前，重要的是要认识到碳纸本身是脆性的，容易断裂。必须小心处理，并用非常锋利的刀片缓慢切割，以避免产生微裂纹，从而损害其作为GDL的性能。
长期涂层降解
PTFE涂层并非坚不可摧。在长期运行过程中，某些条件，例如残留碱的存在，会使涂层降解。
这种降解会降低纸张的疏水性，使电池随着时间的推移越来越容易受到水淹的影响。
维护的必要性
为了抵消这种降解，可能需要进行维护程序。在长时间运行后（例如，每50小时）用0.1M稀乙酸溶液冲洗碳纸有助于中和任何有害的残留碱，并保持PTFE涂层的完整性。
为您的目标做出正确选择
正确准备和维护碳纸对于实现预期的燃料电池效果至关重要。
- 如果您的主要重点是最大化功率输出：确保您的PTFE处理均匀且充分，以防止水淹，因为这是突然性能损失最常见的原因。
- 如果您的主要重点是延长运行寿命：您必须通过实施维护计划（例如乙酸冲洗）来考虑PTFE涂层的降解，以保持疏水性。
- 如果您处于电池组装阶段：您的首要任务是小心物理处理以防止断裂，因为结构受损的GDL无论其化学处理如何都无法正常工作。
最终，正确处理碳纸才能将其从被动组件转变为燃料电池内部环境的积极管理者。
总结表：
| 处理步骤 | 目的 | 主要益处 |
|---|---|---|
| PTFE涂层 | 创建疏水表面 | 通过排斥液态水防止水淹 |
| 乙酸冲洗 | 中和残留碱 | 保持PTFE涂层完整性以供长期使用 |
| 小心处理 | 防止微裂纹 | 保持气体扩散层的结构完整性 |
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