CN115249817B - 一种燃料电池气体扩散层用碳纸材料的催化石墨化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池气体扩散层用碳纸材料的催化石墨化方法，该方法包括以下步骤：(1)将碳纸原纸浸入到含硼的热固性树脂溶液中，取出后进行干燥和模压固化处理，得到硼掺杂的浸胶固化纸；(2)将步骤(1)得到的硼掺杂的浸胶固化纸在800～1400℃进行碳化处理，得到硼掺杂的碳纸；(3)将步骤(2)得到的硼掺杂的碳纸在1800～2200℃进行石墨化处理，即得。本发明利用硼系催化剂对碳纸原纸或碳纸进行掺杂，硼在碳纸的石墨化过程中以取代固溶的方式进入到石墨晶格中，从而显著降低了碳纸的石墨化温度，使得碳纸在获得高导电特性的同时，又保持了高透气率和高强度。

Description

一种燃料电池气体扩散层用碳纸材料的催化石墨化方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池气体扩散层用碳纸材料的催化石墨化方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接将化学能转化为电能的装置，具有高的能量密度和电流密度、低的工作温度等突出特点，被认为是能够用于电动汽车领域的最有应用前景的电力能源之一。
PEMFC的基本单元由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层(GDL)和双极板构成。其中，GDL位于催化剂层和双极板之间，主要作用是支撑催化剂层、收集电流、排出反应废热，同时也为电极中的反应气体和产物水提供传质通道。GDL作为PEMFC的关键部件之一，对电池的性能、成本、耐久性和可靠性起着至关重要的影响。为满足PEMFC的工况需求，GDL需同时具备高导电、高透气、排水、耐化学腐蚀及一定机械强度等特性。
GDL由基底层和微孔层两个部分构成，其中基底层一般选用碳纸、碳纤维编织布、碳毡、碳黑纸等片材。碳纸因具有质量轻、表面平整、耐腐蚀、孔隙均匀、强度高、制造工艺成熟等特点，成为制备GDL的主要材料之一。
碳纸是一种高孔隙率的碳/碳复合材料，由碳纤维和基体碳两部分构成。其中，基体碳是固化树脂的热解产物，属于典型的难石墨化碳。
由于碳纸中基体碳自身的难石墨化特性，需要将其在石墨发热炉体中进行2400～3000℃的高温热处理，促使其发生石墨化转变。石墨化温度越高，碳纸的导电特性越好。然而，此方法在消耗大量能源的同时也对石墨化设备造成了极大的损耗，这对于降低碳纸的制备成本是十分不利的。
另外，随着石墨化温度的提高，碳纸自身逐渐变脆，拉伸强度降低，这又给其批量化制备和应用带来了严重的问题。
除采用高温石墨化的处理方法外，目前关于提高碳纸导电性所采用的主要技术如公开号CN 1764752A和授权公告号CN 101277912 B中公开的内容，通常是将导电的碳质粉体添加到树脂溶液中，然后对碳纸原纸依次进行浸胶、烘干、模压固化、碳化和石墨化处理，最终得到含有碳质粉体的碳纸。虽然此方法中引入的碳质粉体能够显著提高碳纸的导电性，但这些颗粒物会堵塞碳纸的孔隙，导致碳纸的透气率降低，不利于PEMFC中高效的传质过程的进行，进而限制电池性能的进一步提升。
如上所述，在现有技术中，很难有完全使碳纸兼顾高导电、高透气、高强度、低成本等特征的制备方法。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种燃料电池气体扩散层用碳纸材料的催化石墨化方法。本发明利用硼系催化剂对碳纸原纸或碳纸进行掺杂，硼在碳纸的石墨化过程中以取代固溶的方式进入到石墨晶格中，从而显著降低了碳纸的石墨化温度，使得碳纸在获得高导电特性的同时，又保持了高透气率和高强度。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种燃料电池气体扩散层用碳纸材料的催化石墨化方法，该方法包括以下步骤：
(1)将碳纸原纸浸入到含硼的热固性树脂溶液中，取出后进行干燥和模压固化处理，得到硼掺杂的浸胶固化纸；
(2)将步骤(1)得到的硼掺杂的浸胶固化纸在800～1400℃进行碳化处理，得到硼掺杂的碳纸；
(3)将步骤(2)得到的硼掺杂的碳纸在1800～2200℃进行石墨化处理，即得可用于燃料电池气体扩散层的高导电、高透气、高强度的石墨化碳纸。
优选地，在步骤(1)中，所述碳纸原纸采用干法或湿法工艺抄造成形。
优选地，在步骤(1)中，所述碳纸原纸中的碳纤维选自聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、木质素基碳纤维中的一种或多种。
优选地，在步骤(1)中，所述碳纸原纸中碳纤维的长度为3～20mm，直径为3～8μm。
优选地，在步骤(1)中，所述含硼的热固性树脂溶液通过将含硼物质、热固性树脂与溶剂物理混合来制备，其中，所述含硼物质选自硼酸、氧化硼、碳化硼、氮化硼、硼单质等中的一种或多种，所述热固性树脂选自酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、不饱和聚酯树脂和聚氨酯中的一种或多种，所述溶剂为去离子水或醇。
优选地，在所述含硼的热固性树脂溶液的制备中，所述溶剂、所述热固性树脂按(75～85)：(25～15)的质量比进行混合。
优选地，在步骤(1)中，所述含硼的热固性树脂溶液中，除去溶剂质量，硼元素在硼掺杂树脂(即含硼的热固性树脂)中的比例为0.3～4wt％，更优选1～2.5wt％。
优选地，在步骤(1)中，将碳纸原纸浸入到含硼的热固性树脂溶液中的时间为0.5～10min。
优选地，在步骤(1)中，干燥温度为60～100℃，干燥时间为0.1～1h。
优选地，在步骤(1)中，模压固化温度为140～280℃，压力为1～20MPa，时间为0.5～3h。
优选地，在步骤(1)中，所述硼掺杂的浸胶固化纸中硼的含量为0.1～2wt％。
优选地，在步骤(2)中，所述碳化处理在氮气气氛中进行。
优选地，在步骤(2)中，所述碳化处理的温度为1000～1400℃，更优选为1200～1400℃。
优选地，在步骤(2)中，所述碳化处理的升温速率为1～100℃/min，保温时间为0.5～3h；优选地，所述碳化处理的升温速率为5～50℃/min，保温时间为0.5～2h；更优选地，所述碳化处理的升温速率为10～30℃/min，保温时间为0.5～1.5h。
优选地，在步骤(2)中，所述硼掺杂的碳纸中硼含量为0.1～2.5wt％，更优选为0.7～1.8wt％。当硼含量低于0.1wt％时，硼因含量过低而在后续的石墨化过程中无法发挥催化效应。当硼含量高于2.5wt％时，高含量的硼会过度催化碳纸的石墨化，由此带来了纸张变脆的问题。同时，大量的硼在石墨化过程中会从碳纸内部向外逸出，给纸张的结构造成严重的缺陷，造成纸张强度降低。
优选地，在步骤(3)中，所述石墨化处理在氩气气氛中进行。
优选地，在步骤(3)中，所述石墨化处理的温度为1900～2100℃。在本发明中，当石墨化温度低于1800℃时，硼还不能发挥催化效应；当石墨化温度高于2200℃时，硼在高温下会从碳纸中大量逸出，由此带来催化效果显著下降的问题。
优选地，在步骤(3)中，所述石墨化处理的升温速率为1～100℃/min，保温时间为0.5～3h；优选地，所述石墨化处理的升温速率为5～50℃/min，保温时间为0.5～2h；更优选地，所述石墨化处理的升温速率为10～30℃/min，保温时间为0.5～1.5h。
在一个可选择的技术方案中，一种燃料电池气体扩散层用碳纸材料的催化石墨化方法，该方法包括以下步骤：
(i)将碳纸原纸浸入到热固性树脂溶液中，取出后进行干燥和模压固化处理，得到浸胶固化纸；
(ii)将步骤(i)得到的浸胶固化纸在800～1400℃进行碳化处理，得到经碳化处理的碳纸；
(iii)将步骤(ii)得到的经碳化处理的碳纸浸入到含硼溶液中，干燥，得到硼掺杂碳纸；
(iv)将步骤(iii)得到的硼掺杂碳纸在1800～2200℃进行石墨化处理，得到经石墨化处理的碳纸；
优选地，在步骤(i)中，所述碳纸原纸采用干法或湿法工艺抄造成形；
优选地，在步骤(i)中，所述碳纸原纸中的碳纤维选自聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维和木质素基碳纤维中的一种或多种；优选地，所述碳纸原纸中碳纤维的长度为3～20mm，直径为3～8μm。
优选地，在步骤(i)中，所述热固性树脂溶液通过将热固性树脂与溶剂物理混合来制备，其中，所述热固性树脂选自酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、不饱和聚酯树脂和聚氨酯中的一种或多种，所述溶剂为去离子水或醇；
优选地，在所述热固性树脂溶液的制备中，所述溶剂、所述热固性树脂按(75～85)：(25～15)的质量比进行混合；
优选地，在步骤(i)中，将碳纸原纸浸入到热固性树脂溶液中的时间为0.5～10min；
优选地，在步骤(i)中，干燥温度为60～100℃，干燥时间为0.1～1h；
优选地，在步骤(i)中，模压固化温度为140～280℃，压力为1～20MPa，时间为0.5～3h。
优选地，在步骤(ii)中，所述碳化处理在氮气气氛中进行；
优选地，在步骤(ii)中，所述碳化处理的温度为1000～1400℃，优选为1200～1400℃；
优选地，在步骤(ii)中，所述碳化处理的升温速率为1～100℃/min，保温时间为0.5～3h；优选地，所述碳化处理的升温速率为5～50℃/min，保温时间为0.5～2h；更优选地，所述碳化处理的升温速率为10～30℃/min，保温时间为0.5～1.5h。
优选地，在步骤(iii)中，所述含硼溶液由含硼物质以机械搅拌或超声振荡的方式分散在溶剂中制备而成，其中所述含硼物质选自硼酸、氧化硼、碳化硼、氮化硼、硼单质、苯基硼酸等含硼物质中的一种或多种，所述溶剂为水或乙醇；
优选地，在步骤(iii)中，所述含硼溶液中的硼元素含量为1～3wt％；
优选地，在步骤(iii)中，将步骤(ii)得到的经碳化处理的碳纸浸入到含硼溶液中的温度为室温至80℃，浸泡时间为0.1～24h；
优选地，在步骤(iii)中，所述干燥是指在80℃干燥0.5～3h；
优选地，在步骤(iii)中，所述硼掺杂碳纸中硼含量为0.1～2.5wt％，更优选为0.7～1.8wt％。当硼掺杂碳纸中硼的含量低于0.1wt％时，在后续的石墨化过程中无法发挥催化效应。当碳纸中的硼含量高于2.5wt％时，高含量的硼会过度催化碳纸的石墨化，由此带来了纸张变脆的问题；同时，大量的硼在石墨化过程中会逐渐与碳纸发生反应并向碳纸内部扩散，这会对碳纸产生明显的腐蚀，给纸张的结构造成严重的缺陷，造成纸张强度降低。
优选地，在步骤(iv)中，所述石墨化处理在氩气气氛中进行；
优选地，在步骤(iv)中，所述石墨化处理的温度为1900～2100℃。在本发明中，当石墨化温度低于1800℃时，硼还不能发挥催化效应。当石墨化温度高于2200℃时，硼在高温下会从碳纸中大量逸出，由此带来催化效果显著下降的问题；
优选地，在步骤(iv)中，所述石墨化处理的升温速率为1～100℃/min，保温时间为0.5～3h；优选地，所述石墨化处理的升温速率为5～50℃/min，保温时间为0.5～2h；更优选地，所述石墨化处理的升温速率为10～30℃/min，保温时间为0.5～1.5h。
在本申请中，纸张中的硼含量采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪测定。测试之前，将纸张剪碎并置于石英坩埚中，利用马弗炉对其在1000℃的空气气氛下氧化烧蚀3～5h，直至样品完全灰化。纸张中的硼在烧蚀过程中因形成了液态的氧化硼而附着在坩埚壁面，并且由于其沸点高达1860℃，因而在1000℃的烧蚀过程中硼元素几乎不发生质量损失。之后用80℃的去离子水浸泡坩埚3～12h，从而溶解其中的氧化硼。溶解液中的硼浓度可通过电感耦合等离子体原子发射光谱仪测出，换算后得到纸张中的硼含量。
与现有技术相比，本发明利用硼系催化剂对碳纸原纸进行掺杂处理，具有如下显而易见的优点：
①本发明中的硼系催化剂在碳纸的石墨化过程中发挥了催化效应，因此在较低的石墨化温度下便可获得兼具高导电、高透气、高强度特征的碳纸材料。在经2100℃石墨化处理后，硼掺杂碳纸的石墨化度可达78.6％，平面方向电阻率为2.0mΩ·cm，厚度方向透气率为318mm/s，拉伸强度37.2MPa，断裂伸长率1.1％。
②本发明中对碳纸原纸进行硼掺杂的方法操作简单，便于大规模实施，有利于高性能、低成本的燃料电池气体扩散层用碳纸的批量化制备和应用。
附图说明
图1是本发明中涉及到的对碳纸原纸进行硼掺杂处理的的两种工艺路径图。
图2是本发明中石墨化碳纸样品的X射线粉末衍射图。其中a、b、c、d分别为实施例1中经2100℃石墨化处理的硼掺杂碳纸的衍射图，e为实施例2中经2100℃石墨化处理的硼掺杂碳纸的衍射图，f为实施例3中经2100℃石墨化处理的硼掺杂碳纸的衍射图，g为对比例1中经2100℃石墨化处理的未经硼掺杂碳纸的衍射图。
具体实施方式
实施例1
如图1中的方法①所示，选择物理共混法对树脂进行硼掺杂处理，从而实现硼对碳纸的催化石墨化效应。
本实施例内容为探究硼掺杂含量对碳纸的结构、性能的影响，具体包括以下步骤：
(1)采用湿法造纸工艺，原材料为4mm长度的聚丙烯腈基碳纤维，采用聚乙烯醇做粘结剂，二者质量之比为10:1，制备出碳纸原纸，定量为40g/m2。
(2)分别将1、6、10、27g的硼酸粉末充分溶解在370g的乙醇中，然后向其中添加80g的热固性酚醛树脂粉末，通过机械搅拌的方式制备出四种不同硼掺杂浓度的树脂溶液。除去溶剂质量，硼元素在硼掺杂树脂中的比例依次为0.22、1.29、2.14和5.57wt％。随后将步骤(1)中的碳纸原纸浸泡到所述的含硼树脂溶液中静置5min后取出，再将其置于60℃鼓风烘箱中干燥0.5h。最后将干燥后的浸胶纸置于平板硫化机上进行模压固化处理，热压温度180℃，压强5MPa，热压时间3h，制备出不同硼掺杂含量的浸胶固化纸。
(3)将步骤(2)中的浸胶固化纸置于箱式气氛炉中，在氮气气氛下进行碳化处理，碳化温度1400℃，升温速率10℃/min，保温时间1.5h，制备出不同硼掺杂含量的碳纸。
(4)将步骤(3)中的碳纸置于中频感应石墨化炉中，在氩气气氛下进行2100℃的石墨化处理，升温速率10℃/min，保温时间1.5h，制备出石墨化碳纸。
经电感耦合等离子体原子发射光谱仪测试可知，上述制备出的四种浸胶固化纸的硼含量从低到高依次为0.15、0.3、0.9和2.7wt％，对应的碳纸中的硼含量分别为0.06、0.4、1.2和3.8wt％。
上述四种石墨化碳纸的X射线粉末衍射图谱见图2中的a、b、c、d曲线。需要说明的是，为了校准测试结果，在测试前的研磨制样过程中加入了一定含量的高纯度(≥99.9％)的硅粉做内标。从图2中可知，石墨化碳纸a的(002)石墨峰的峰形较宽泛且强度低，石墨化度仅为29.7％，而石墨化碳纸b、c、d的(002)石墨峰的峰形尖锐且强度高，其石墨化度分别为55.1、74.4、89.5％。因此，硼在碳纸的石墨化过程中发挥了催化效应，促进了碳纸中的类石墨微晶的有序生长和发育。另外，硼含量对催化效果有显著影响。
四种石墨化碳纸的物性参数如表1所示。其中，平面方向电阻率、拉伸强度和断裂伸长率的测试方法参考GB/T 20042.7-2014，厚度方向透气率的测试方法参考EN ISO9237。从中可知，随着碳纸中硼含量的增加，由于石墨化碳纸b、c、d的石墨化度大幅度提高，由此带来了平面电阻率的显著降低。然而，当碳纸中的硼含量过高时，硼过度催化了碳纸的石墨化，由此导致石墨化碳纸d的厚度向透气率、拉伸强度、断裂伸长率均有显著降低。因此，在本发明中，通过将碳纸的硼含量控制在0.1～2.5wt％(更优选为0.7～1.8wt％)，使硼既能够在碳纸的石墨化过程中发挥显著的催化效果，同时又不影响石墨化碳纸的透气率、拉伸强度、断裂伸长率，有利于制备出兼具高导电、高透气、高强度的碳纸。
表1石墨化碳纸的物性参数
实施例2
如图1中的方法①所示，选择物理共混法对树脂进行硼掺杂处理，从而实现硼对碳纸的催化石墨化效应，具体包括以下步骤：
(1)采用湿法造纸工艺，原材料为4mm长度的聚丙烯腈基碳纤维，采用聚乙烯醇做粘结剂，二者质量之比为10:1，制备出碳纸原纸，定量为40g/m2。
(2)将2.5g的碳化硼颗粒(粒径为60nm)加入到370g的乙醇中，于室温下超声振荡分散，然后向其中添加100g的热固性酚醛树脂粉末，通过机械搅拌的方式制备出含硼树脂溶液。随后将步骤(1)中的碳纸原纸浸泡到含硼树脂溶液中静置5min后取出，再将其置于60℃鼓风烘箱中干燥0.5h。最后将干燥后的浸胶纸置于平板硫化机上进行模压固化处理，热压温度180℃，压强5MPa，热压时间3h，制备出浸胶固化纸。
(3)将步骤(2)中的浸胶固化纸置于箱式气氛炉中，在氮气气氛下进行碳化处理，碳化温度1400℃，升温速率10℃/min，保温时间1.5h，制备出硼掺杂的碳纸。
(4)将步骤(3)中的碳纸置于中频感应石墨化炉中，在氩气气氛下进行2100℃的石墨化处理，升温速率10℃/min，保温时间1.5h，制备出石墨化的碳纸。
上述制得的浸胶固化纸和碳纸的硼含量分别为1.1wt％和1.7wt％。
所得的硼掺杂的碳纸在2100℃石墨化处理后的X射线粉末衍射图谱见图2e。从中可知，经硼掺杂的石墨化碳纸的(002)石墨峰的峰形尖锐且强度高，其石墨化度为78.6％。因此，硼在碳纸的石墨化过程中发挥了催化效应，促进了碳纸中的类石墨微晶的有序生长和发育。
经导电、透气和拉伸测试，微晶硼掺杂的石墨化碳纸的平面方向电阻率为2.0mΩ·cm，厚度方向透气率318mm/s，拉伸强度36.0MPa，断裂伸长率1.1％。
实施例3
如图1中的方法②所示，选择将未经硼掺杂的碳纸浸渍在含硼溶液中，以对碳纸进行硼掺杂处理，从而实现硼对碳纸的催化石墨化效应，具体包括以下步骤：
(1)采用湿法造纸工艺，原材料为4mm长度的聚丙烯腈基碳纤维，采用聚乙烯醇做粘结剂，二者质量之比为10:1，制备出碳纸原纸，定量为40g/m2。
(2)将80g的热固性酚醛树脂粉末通过机械搅拌的方式溶解在370g的乙醇中，随后将步骤(1)中的碳纸原纸浸泡到树脂溶液中静置5min后取出，再将其置于60℃鼓风烘箱中干燥0.5h。最后将干燥的浸胶纸置于平板硫化机上进行模压固化处理，热压温度180℃，压强5MPa，热压时间3h，制备出浸胶固化纸。
(3)将步骤(2)中的浸胶固化纸置于箱式气氛炉中，在氮气气氛下进行碳化处理，碳化温度1400℃，升温速率20℃/min，保温时间1.5h。
(4)将2g的无定形硼粉置于1L的去离子水中，于室温下超声振荡5分钟至硼粉完全均匀分散，随后将步骤(3)中的碳纸置于含硼溶液中浸泡1h，再将其置于80℃鼓风烘箱中干燥0.5h，得到硼掺杂的碳纸。
(5)将步骤(4)中的硼掺杂的碳纸置于中频感应石墨化炉中，在氩气气氛下于2100℃进行石墨化处理，升温速率20℃/min，保温时间1.5h，制备出石墨化的碳纸。
上述制得的碳纸的硼含量为1.6wt％。
所得的硼掺杂的碳纸在2100℃石墨化处理后的X射线粉末衍射图谱见图2f。从中可知，经硼掺杂的石墨化碳纸的(002)石墨峰的峰形尖锐且强度高，其石墨化度为74.3％。因此，硼在碳纸的石墨化过程中发挥了催化效应，促进了碳纸中的类石墨微晶的有序生长和发育。
经导电、透气和拉伸测试，硼掺杂的石墨化碳纸的平面方向电阻率为2.1mΩ·cm，厚度方向透气率315mm/s，拉伸强度28.8MPa，断裂伸长率1.1％。
对比例1
如图1中的流程所示，不对碳纸进行硼掺杂处理，具体包括以下步骤：
(1)采用湿法造纸工艺，原材料为4mm长度的聚丙烯腈基碳纤维，采用聚乙烯醇做粘结剂，二者质量之比为10:1，制备出碳纸原纸，定量为40g/m2。
(2)向370g的乙醇中添加80g的热固性酚醛树脂粉末，通过机械搅拌的方式制备出树脂溶液。随后将步骤(1)中的碳纸原纸浸泡到树脂溶液中，静置5min后取出，再将其置于60℃鼓风烘箱中干燥0.5h。最后将干燥后的浸胶纸置于平板硫化机上进行模压固化处理，热压温度180℃，压强5MPa，热压时间3h，制备出浸胶固化纸。
(3)将步骤(2)中的浸胶固化纸置于电阻炉中，在氮气气氛下进行碳化处理，碳化温度1400℃，升温速率10℃/min，保温时间1.5h，制备出未经硼掺杂的碳纸。
(4)将步骤(3)中的碳纸置于中频感应石墨化炉中，在氩气气氛下进行2100℃的石墨化处理，升温速率10℃/min，保温时间1.5h，制备出石墨化的碳纸。
所得的未经硼掺杂的碳纸在2100℃石墨化处理后的X射线粉末衍射图谱见图2g。从中可知，未经硼掺杂的石墨化碳纸的(002)石墨峰的峰形较宽泛且强度低，石墨化度为34.3％。
经导电、透气和拉伸测试，未经硼掺杂的石墨化碳纸的平面方向电阻率为8.2mΩ·cm，厚度方向透气率311mm/s，拉伸强度24.3MPa，断裂伸长率1.0％。
由上述实施例1-3和对比例1的实验结果可知，本发明的制备方法能够通过控制碳纸中的硼含量而在相同的石墨化温度下得到兼具高导电、高透气、高强度的碳纸材料。
以上所述的实施例仅为本发明的效果较明显的代表而已，但本发明并不限于上述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (48)

1.一种燃料电池气体扩散层用碳纸材料的催化石墨化方法，该方法包括以下步骤：
（1）将碳纸原纸浸入到含硼的热固性树脂溶液中，取出后进行干燥和模压固化处理，得到硼掺杂的浸胶固化纸；
（2）将步骤（1）得到的硼掺杂的浸胶固化纸在800~1400 ℃进行碳化处理，得到硼掺杂的碳纸；
（3）将步骤（2）得到的硼掺杂的碳纸在1800~2200 ℃进行石墨化处理，即得；
在步骤（1）中，所述含硼的热固性树脂溶液通过将含硼物质、热固性树脂与溶剂物理混合来制备，其中，所述含硼物质选自硼酸、氧化硼、碳化硼、氮化硼、硼单质中的一种或多种，所述热固性树脂选自酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、不饱和聚酯树脂和聚氨酯中的一种或多种，所述溶剂为去离子水或醇。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述碳纸原纸采用干法或湿法工艺抄造成形。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述碳纸原纸中的碳纤维选自聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、木质素基碳纤维中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述碳纸原纸中碳纤维的长度为3~20 mm，直径为3~8 μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1）中，在所述含硼的热固性树脂溶液的制备中，所述溶剂、所述热固性树脂按（75~85）：（25~15）的质量比进行混合。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1）中，将碳纸原纸浸入到含硼的热固性树脂溶液中的时间为0.5~10 min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1）中，干燥温度为60~100 ℃，干燥时间为0.1~1 h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1）中，模压固化温度为140~280℃，压力为1~20 MPa，时间为0.5~3 h。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述硼掺杂的浸胶固化纸中硼的含量为0.1~2 wt%。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述碳化处理在氮气气氛中进行。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述碳化处理的温度为1000~1400 ℃。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述碳化处理的温度为1200~1400 ℃。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述碳化处理的升温速率为1~100 ℃/min，保温时间为0.5~3 h。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述碳化处理的升温速率为5~50 ℃/min，保温时间为0.5~2 h。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述碳化处理的升温速率为10~30 ℃/min，保温时间为0.5~1.5 h。
16.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述硼掺杂的碳纸中硼含量为0.1~2.5 wt%。
17.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述硼掺杂的碳纸中硼含量为0.7~1.8 wt%。
18.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述石墨化处理在氩气气氛中进行。
19.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述石墨化处理的温度为1900~2100 ℃。
20.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述石墨化处理的升温速率为1~100 ℃/min，保温时间为0.5~3 h。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述石墨化处理的升温速率为5~50 ℃/min，保温时间为0.5~2 h。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述石墨化处理的升温速率为10~30 ℃/min，保温时间为0.5~1.5 h。
23.一种燃料电池气体扩散层用碳纸材料的催化石墨化方法，该方法包括以下步骤：
（i）将碳纸原纸浸入到热固性树脂溶液中，取出后进行干燥和模压固化处理，得到浸胶固化纸；
（ii）将步骤（i）得到的浸胶固化纸在800~1400 ℃进行碳化处理，得到经碳化处理的碳纸；
（iii）将步骤（ii）得到的经碳化处理的碳纸浸入到含硼的溶液中，干燥，得到硼掺杂碳纸；
（iv）将步骤（iii）得到的硼掺杂碳纸在1800~2200 ℃进行石墨化处理，得到经石墨化处理的碳纸。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，在步骤（i）中，所述碳纸原纸采用干法或湿法工艺抄造成形。
25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，在步骤（i）中，所述碳纸原纸中的碳纤维选自聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维和木质素基碳纤维中的一种或多种。
26.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，在步骤（i）中，所述碳纸原纸中碳纤维的长度为3~20 mm，直径为3~8 μm。
27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，在步骤（i）中，所述热固性树脂溶液通过将热固性树脂与溶剂物理混合来制备，其中，所述热固性树脂选自酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、不饱和聚酯树脂和聚氨酯中的一种或多种，所述溶剂为去离子水或醇。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，在所述热固性树脂溶液的制备中，所述溶剂、所述热固性树脂按（75~85）：（25~15）的质量比进行混合。
29.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，在步骤（i）中，将碳纸原纸浸入到热固性树脂溶液中的时间为0.5~10 min。
30.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，在步骤（i）中，干燥温度为60~100 ℃，干燥时间为0.1~1 h。
31.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，在步骤（i）中，模压固化温度为140~280℃，压力为1~20 MPa，时间为0.5~3 h。
32.根据权利要求23至31中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（ii）中，所述碳化处理在氮气气氛中进行。
33.根据权利要求23至31中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（ii）中，所述碳化处理的温度为1000~1400 ℃。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，在步骤（ii）中，所述碳化处理的温度为1200~1400 ℃。
35.根据权利要求23至31中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（ii）中，所述碳化处理的升温速率为1~100 ℃/min，保温时间为0.5~3 h。
36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，在步骤（ii）中，所述碳化处理的升温速率为5~50 ℃/min，保温时间为0.5~2 h。
37.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，在步骤（ii）中，所述碳化处理的升温速率为10~30 ℃/min，保温时间为0.5~1.5 h。
38.根据权利要求23至31中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（iii）中，所述含硼的溶液由含硼物质以机械搅拌或超声振荡的方式分散在溶剂中制备而成，其中所述含硼物质选自硼酸、氧化硼、碳化硼、氮化硼、硼单质、苯基硼酸中的一种或多种，所述溶剂为水或乙醇。
39.根据权利要求23至31中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（iii）中，所述含硼的溶液中的硼元素含量为1~3 wt%。
40.根据权利要求23至31中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（iii）中，将步骤（ii）得到的经碳化处理的碳纸浸入到含硼的溶液中的温度为室温至80 ℃，浸泡时间为0.1~24 h。
41.根据权利要求23至31中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（iii）中，所述干燥是指在80 ℃干燥0.5~3 h。
42.根据权利要求23至31中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（iii）中，所述硼掺杂碳纸中硼含量为0.1~2.5 wt%。
43.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，在步骤（iii）中，所述硼掺杂碳纸中硼含量为0.7~1.8 wt%。
44.根据权利要求23至31中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（iv）中，所述石墨化处理在氩气气氛中进行。
45.根据权利要求23至31中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（iv）中，所述石墨化处理的温度为1900~2100 ℃。
46.根据权利要求23至31中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤（iv）中，所述石墨化处理的升温速率为1~100 ℃/min，保温时间为0.5~3 h。
47.根据权利要求46所述的方法，其特征在于，所述石墨化处理的升温速率为5~50 ℃/min，保温时间为0.5~2 h。
48.根据权利要求46所述的方法，其特征在于，所述石墨化处理的升温速率为10~30℃/min，保温时间为0.5~1.5 h。
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