氫燃料電池作為實現氫能向電能轉換的關鍵載體，具備高效、無污染、無噪聲、可靠性高以及對負載變化快速響應等優點。氣體擴散層是氫燃料電池的關鍵部件之一，承擔著均勻擴散氣體、傳導電子、排出水分、支撐電極結構等作用。為滿足燃料電池需求，氣體擴散層應具有高透氣性、高導電性、高疏水性和一定機械強度，目前主要以高導電碳纖維為原料制成碳紙或碳布來制備，但存在原料成本及能耗高、疏水處理影響導電性和透氣性等問題。生物質材料衍生的碳材料雖有成本優勢，但傳統碳化過程衍生的碳材料存在機械性能低、導電性差、無疏水性能等問題，無法滿足氣體擴散層性能要求。本文借助鋯基化合物催化的化學氣相沉積技術，通過簡單的一步熱處理過程，將纖維素棉布轉化成碳纖維布，并測試其作為氣體擴散層的燃料電池性能。

　　1.試驗

　　1.1 試驗試劑與儀器

　　藥品與試劑：試驗采用氯化鋯(國藥集團化學試劑有限公司)、商業 Pt/C 催化劑(質量分數 20%，SigmaAldrich 中國)、Nafion 溶液(質量分數 5%)、聚四氟乙烯分散液(質量分數 60%，Dupont 美國)、VulcanXC72R(質量分數 99.9%，Johnson Matthey)、甲醇(上海國藥集團化學試劑有限公司)以及實驗室自制的去離子水。

　　儀器：試驗用到多種儀器，如電化學工作站 CS350H(武漢科思特儀器股份有限公司)用于電池電化學性能測試;Land 電池測試系統 CT - 2001A(武漢金諾電子有限公司)進行電池性能測試;手套箱 Lab2000(合肥科晶有限公司)提供無氧無水的實驗環境;多晶粉末 X 射線衍射儀 X'PertPROMPD(荷蘭帕納科公司)分析材料物相及晶體結構等。

　　1.2 材料制備與表征

　　材料制備：將纖維素棉布剪成 5cm×5cm，用乙醇和去離子水反復清洗后烘干。把 0.324gZrCl4溶解在 10mL 乙醇中超聲 15min 制成浸漬液，滴涂在干燥的棉布上，60℃烘干得到生物質碳布前體。將前體放入管式爐，先用氬氣置換空氣，在 5% 氫氬氣氛(氫氣體積分數 5%)、50mL/min 流速下，以 10℃/min 升溫到 1000℃保持 1h，再以 10℃/min 升溫到 1350℃，通入 5mL/min 甲烷氣氛保持 1h，關閉甲烷降溫得到 CVD - Zr - CC。同時制備對比樣品，直接將清洗干燥的纖維素棉布按相同升溫程序處理，通入甲烷的命名為 CVD - CC，到達 1350℃時不通甲烷的命名為 CC。另外采購日本東麗株式會社的商業化氣體擴散層(TGP - H - 060)作為對比樣 C - GDL。

　　材料表征：運用多種測試手段對材料進行表征。采用 X 射線衍射儀分析物相及晶體結構;拉曼光譜儀表征石墨化程度和碳材料缺陷;掃描電子顯微鏡觀察微觀形貌;透射電子顯微鏡細致分析形貌及金屬組分;X 射線光電子能譜確定材料組成、元素含量及價態;壓汞儀表征孔隙率和孔徑分布;四探針電導率測試儀測量碳布表面電導率;水接觸角測試儀 SDC350Z 測試碳布表面疏水性。

　　1.3 燃料電池性能測試

　　膜電極制備：把配制好的微孔層漿料用刮刀涂覆在碳布一面，350℃空氣氣氛下保持 30min，得到涂覆微孔層的氣體擴散層。將其放在噴涂催化劑的質子交換膜(CCM，質子交換膜為 GoreM788.12，陰陽極催化劑負載量均為0.5mgPt⋅cm−2)兩側，在 120℃、300 N/cm2的壓力下加熱制成膜電極。

　　性能測試：將膜電極放在燃料電池測試夾具中測試。測試前陰陽極管道通氮氣 30min，陽極通 50mL/min 氫氣保持 1h。活化階段，電池溫度升至 60℃，保持 0.4V 恒壓放電 24h 使 MEA 充分活化。單電池極化曲線測試時，陽極為 100mL/min 氫氣(氫氣發生器提供)，陰極為 70mL/min 氧氣(純氧氣瓶提供)，陰陽極背壓 0.05MPa。單電池阻抗測試由電化學工作站在 1MHz - 0.1Hz 頻率范圍、0.6V 電壓下進行。測試 GDL 耐腐蝕性能時，恒電壓放電(電壓 0.6V)，電池溫度 65℃，氫氣流量 60mL/min，氧氣流量 50mL/min。

　　2. 結果分析

　　材料結構與形貌：CVD-Zr-CC 具有良好柔性，可 180° 彎曲、卷繞、折疊而無結構退化。其 XRD 譜圖顯示纖維素完全碳化，且存在四方晶系和單斜晶系的ZrO2衍射峰;拉曼光譜中，其ID/IG比值低至 0.43 ，遠低于對比樣，2D 峰明顯，表明 Zr 基化合物顯著提高了碳材料的石墨化程度。SEM 和 TEM 分析顯示，CVD-Zr-CC 保留了棉布纖維編織結構，單根纖維直徑 10-20μm，表面生長著厚度約 17nm 的均勻碳納米片，形成多孔陣列納米結構，有助于電子傳輸和傳質。而未經過 CVD 過程的 CC 纖維表面光滑，CVD-CC 纖維表面生成大量分布不均勻的碳顆粒和卷曲碳納米管。此外，CVD-Zr-CC 表面碳納米片主要由碳組成，Zr 元素主要存在于碳布內部。

　　材料性能：水接觸角測試表明，CVD-Zr-CC 水接觸角高達 151.76°，疏水性明顯優于商業化氣體擴散層，無需疏水處理。導電性測試顯示，CVD-Zr-CC 平面電阻率低至 60.8mΩ・cm ，穿透電阻率在 1MPa 壓力下低至 19mΩ・cm，導電性優秀。孔隙率方面，CVD-Zr-CC 孔隙率達到 76.83%，高于商業氣體擴散層，且孔徑主要分布在 10μm 以上，適合氣體快速擴散。燃料電池性能：CVD-Zr-CC 作為氣體擴散層的燃料電池極化曲線和功率密度曲線均優于 CVD-CC 和 C-GDL。在 0.6V 時進行電化學阻抗試驗，CVD-Zr-CC 的電荷傳輸阻力、質量傳輸阻力和高頻電阻更小。穩定性測試中，CVD-Zr-CC 的 i-t 曲線平穩，運行 20h 后仍無結構破損和內阻增加問題。

　　3. 結論

　　以纖維素棉布為原料，經簡單一步熱處理過程，成功制備出低成本、高性能的生物質碳布。該碳布由相互連接的微米級碳纖維構成，形成豐富孔道，孔隙率達到 76%。

　　通過鋯基化合物催化的化學氣相沉積法，在碳布纖維表面生長出分布均勻的高石墨化碳納米片陣列，顯著提升了生物質碳布的導電性。其平面電阻率為 60.8mΩ・cm ，穿透電阻率在 1MPa 壓力下低至 19mΩ・cm，滿足商業氣體擴散層的導電性要求。在0.5mgPt/cm2的催化劑負載量下，以 CVD-Zr-CC 為氣體擴散層組裝的燃料電池，在1.2A/cm2電流密度時功率達到0.6W/cm2，超過相同條件下的商業化氣體擴散層(0.58W/cm2)。且單電池運行過程中 i-t 曲線平穩，性能表現優異。

代鵬程;趙永鑫;田煜彬;田超凡;李 森;邢 濤;李 智;劉嘉儀;顧 鑫,中國石油大學(華東)新能源學院;山東能源集團有限公司;西安交通大學材料科學與工程學院;煙臺大學環境與材料工程學院,202501