碳纤维毡在氢能源燃料电池中扮演着至关重要的角色，主要体现在以下几个关键方面：

1. 作为气体扩散层（GDL）的核心材料

作用机制：

碳纤维毡是燃料电池气体扩散层（GDL）的主要组成部分，位于双极板和催化剂层之间。其多孔结构（孔隙率约70%-80%）允许氢气（阳极侧）和氧气/空气（阴极侧）均匀扩散至催化剂表面，同时排出生成的水，避免“水淹”现象。

优势：

高气体渗透性：纤维交织形成的三维网络结构优化了气体传输路径。

疏水处理：通过聚四氟乙烯（PTFE）涂层增强疏水性，平衡水管理。

2. 电子传导与电流收集

作用机制：

碳纤维毡的高导电性（电阻率约0.01-0.1 Ω·cm）使其成为电子传输的高效通道，将催化剂层产生的电流传导至双极板，从而形成闭合电路。

优势：

低接触电阻，减少能量损耗。

3. 机械支撑与结构稳定性

作用机制：

碳纤维毡的高强度（抗拉强度≥3 GPa）和柔韧性为脆性催化剂层提供支撑，防止电池堆压合或运行中的形变。

优势：

耐受燃料电池运行中的振动和压力波动。

4. 热管理

作用机制：

碳纤维的导热性（约10-100 W/m·K）帮助均匀分布反应热量，避免局部过热，同时协助散热以维持电池最佳工作温度（60-80℃）。

优势：

提升电池效率与寿命。

5. 化学稳定性与耐久性

作用机制：

在酸性（如PEMFC）或碱性（如AFC）电解质环境中，碳纤维的耐腐蚀性（经石墨化处理）确保长期稳定性，减少性能衰减。

挑战：

需通过表面改性（如碳涂层）增强抗氧化能力。

6. 与催化剂层的协同优化

作用机制：

碳纤维毡的粗糙表面和高比表面积（约1-10 m²/g）可作为催化剂载体，提升铂基催化剂的附着效率，降低贵金属用量。

创新方向：

开发梯度孔隙结构以优化气-液-固三相界面。

未来发展方向

成本优化：通过回收或新型前驱体（如生物基材料）降低碳纤维毡成本。

性能提升：纳米碳材料（如碳纳米管）复合增强导电性和机械强度。

智能化设计：集成传感器实时监测气体扩散层状态。

碳纤维毡是氢燃料电池高效运行的核心材料，其多角色功能（气体扩散、导电、支撑、热管理）直接影响电池的功率密度、效率和寿命。随着技术进步，碳纤维毡的优化将进一步推动氢能源燃料电池的商业化进程。