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CN117832534B - 碳材料及其制备方法、燃料电池 - Google Patents

碳材料及其制备方法、燃料电池 Download PDF

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CN117832534B CN202211184403.7A CN202211184403A CN117832534B CN 117832534 B CN117832534 B CN 117832534B CN 202211184403 A CN202211184403 A CN 202211184403A CN 117832534 B CN117832534 B CN 117832534B
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Abstract

本申请涉及燃料电池领域，提供一种碳材料及其制备方法、燃料电池，碳材料包括碳颗粒，碳颗粒表面包括多个相连接的碳晶粒，相邻两个碳晶粒之间形成晶界；碳颗粒表面的晶界密度为p，1≤p≤15；其中，晶界密度通过以下的测试方法获得：随机获取20份碳粉体颗粒，通过拉曼光谱测试，测得碳粉体颗粒的碳特征峰的峰面积ID与石墨特征峰的峰面积IG的比值ID/IG的值为Rn，n＝1，2，3…20；20份碳粉体颗粒的ID/IG的平均值为R；晶界密度D为碳颗粒的平均粒径。本申请提供的碳材料及其制备方法、燃料电池，碳颗粒表面晶界密度越小，碳颗粒表面易腐蚀位点少，耐腐蚀性高，可以有效提高碳材料的使用寿命。

Description

碳材料及其制备方法、燃料电池
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，具体地讲，涉及碳材料及其制备方法、燃料电池。
背景技术
现有的燃料电池主要包括多个具有气体扩散层的电池单元，气体扩散层包含微孔层和基底。其中微孔层主要由高结构碳材料构成，在燃料电池中起到传气，排水以及电子传输的作用。微孔层的亲疏水性，电导性以及孔隙结构等物理化特性直接影响电池的性能。微孔层工作环境会出现高电位，高湿度的状况，碳材料很容易发生电化学腐蚀现象。微孔层的碳材料发生腐蚀后，导致材料亲疏水性、孔隙结构发生改变，排水传气功能下降，且部件界面间接触电阻增加，电池性能加速衰减。因此微孔层所用碳材料的电化学稳定性一定程度上决定了电池的运行寿命。
现有微孔层主要用炉黑、乙炔黑和科琴黑等市场中常见的导电炭黑作为主体材料，此类型炭黑材料的颗粒存在较多的缺陷界面，容易发生电化学腐蚀，会加速碳材料的劣化。
因此，需要一种碳材料，能够在燃料电池中展现传气，排水以及电子传输的良好功能，同时具有高抗电化学腐蚀的能力，提高电池使用寿命。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种碳材料及其制备方法、气体扩散层、燃料电池，碳颗粒表面易腐蚀位点少，耐腐蚀性高，可以有效提高碳材料的使用寿命。
第一方面，本申请实施例提供一种碳材料，所述碳材料包括碳颗粒，所述碳颗粒表面包括多个相连接的碳晶粒，相邻两个碳晶粒之间形成晶界；
所述碳颗粒表面的晶界密度为p，1≤p≤15；
其中，所述晶界密度通过以下的测试方法获得：
随机获取20份碳颗粒，通过拉曼光谱测试，测得碳颗粒的碳特征峰的峰面积ID与石墨特征峰的峰面积IG的比值ID/IG的值为Rn，n＝1，2，3…20；20份碳颗粒的ID/IG的平均值为R；
晶界密度D为所述碳颗粒的平均粒径。
在一些实施方式中，所述碳颗粒呈球状或类球状。
在一些实施方式中，所述碳颗粒的平均粒径为D，20nm≤D≤200nm。
在一些实施方式中，所述碳晶粒由碳层堆叠形成。
在一些实施方式中，所述碳晶粒的平均粒径为La，3nm≤La≤30nm。
在一些实施方式中，通过X射线粉末衍射测试，测得所述碳材料的石墨相{002}的晶面层间距为d002 nm；所述碳材料在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率为σS/m，且σ/d002≥2*108S/cm2。
在一些实施方式中，所述碳材料的石墨相{002}的晶面层间距为d002 nm，0.338≤d002≤0.345。。
在一些实施方式中，所述碳材料在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率为σS/m，σ≥7。
在一些实施方式中，所述碳材料的平均粒径为20nm～200nm。
在一些实施方式中，所述碳材料的孔隙率≥60％。
在一些实施方式中，所述碳材料的粉体接触角为120°～155°。
在一些实施方式中，所述碳材料的比表面积为30m2/g～250m2/g。
在一些实施方式中，所述碳材料的吸油值为100mL/100g～450mL/100g。
第二方面，本申请实施例提供一种碳材料的制备方法，包括以下步骤：
将包含炭黑材料与缺陷修补剂的混合物料置于1800℃～3000℃下进行碳化处理后，再进行整形处理；
在包含改性气体的气氛中，将整形处理产物进行表面改性处理，得到所述碳材料。
在一些实施方式中，所述缺陷修补剂的沸点为50℃～400℃。
在一些实施方式中，所述缺陷修补剂包括挥发性有机物和/或半挥发性有机物。
在一些实施方式中，所述缺陷修补剂包括挥发性有机物，所述挥发性有机物包括樟脑、苯酚、邻苯二甲醛、间苯二甲醛、对苯二甲醛、对苯醌、苯甲酸、棕榈醇、氨基喹啉和萘中的至少一种。
在一些实施方式中，所述缺陷修补剂包括半挥发性有机物，所述半挥发性有机物包括苯二酚、邻苯二甲酸、间苯二甲醛和蒽中的至少一种。
在一些实施方式中，在将包含炭黑材料与缺陷修补剂的混合物料置于1800℃～3000℃下进行碳化处理之前，所述方法还包括将缺陷修补剂进行整形处理，整形后的修补剂与炭黑材料进行混合处理，得到混合物料。
在一些实施方式中，所述缺陷修补剂的平均粒径为0.1μm～1μm。
在一些实施方式中，所述炭黑材料与所述缺陷修补剂的质量比为10：(0.1～2)。
在一些实施方式中，所述炭黑材料的平均粒径为20nm～200nm。
在一些实施方式中，所述炭黑材料的吸油值为100mL/100g～450mL/100g。
在一些实施方式中，通过拉曼光谱测试，所述炭黑材料具有碳特征峰ID和石墨特征峰IG，ID/IG≤2.0。
在一些实施方式中，所述炭黑材料在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率σ≥8S/m。
在一些实施方式中，所述碳化处理的时间为0.1h～3h。
在一些实施方式中，所述碳化处理的升温速率为2℃/min～30℃/min。
在一些实施方式中，所述整形处理包括球磨、砂磨、辊磨、搅拌磨、滚磨和行星磨中的至少一种。
在一些实施方式中，在所述将整形处理产物进行表面改性处理之前，所述方法还包括：将整形处理产物进行筛分。
在一些实施方式中，所述改性气体包括二氧化碳、空气、水蒸气、氧气、氮气和氨气中的至少一种。
在一些实施方式中，所述气氛还包括惰性气体，所述惰性气体包括氩气、氖气、氦气和氪气中的至少一种。
在一些实施方式中，所述气氛中的改性气体与所述惰性气体的体积比为(0.5～10):10。
在一些实施方式中，所述表面改性处理的温度为400℃～1700℃，所述表面改性处理的温度优选为500℃～1200℃。
在一些实施方式中，所述表面改性处理的升温速率为2℃/min～30℃/min。
第三方面，本申请提供一种燃料电池，所述燃料电池包括多个具有气体扩散层的电池单元，所述气体扩散层包括上述的碳材料或根据上述的制备方法制得的碳材料。
本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：
首先，本申请提供的碳材料，碳材料颗粒表面的碳晶粒之间的晶界密度越小时，碳颗粒表面易腐蚀位点越少，可以有效提高碳材料的使用寿命；碳颗粒的表面晶界密度越小，疏水性越好，反应产生的水分不容易在碳材料孔隙中聚集，有利于维持由该材料构成的微孔层其气孔结构的导气能力，提升电池在高湿度大电流密度工况下的电池性能。并且碳材料兼具高的电导率和高的石墨化程度。碳材料的电导率性能越好，碳材料的电子传输性能越强，电能损耗越低；碳材料的石墨化程度越高，材料的耐腐蚀性能越高。从而使得由该材料制得的气体扩散层在大电流密度下电化学转化效率高，兼具长使用寿命的特征。
其次，本申请提供的制备方法，将包含炭黑材料与缺陷修补剂的混合物料置于1800℃～3000℃下进行碳化处理，超高温度的碳化处理过程中，缺陷修补剂能够分解产生碳自由基或碳烯结构，是典型的缺电子中性活泼中间体，能够沉积在碳颗粒的表面，修复碳颗粒表面的缺陷，能够有利于获得表面晶界密更低的碳颗粒，有利于获得高度石墨化、高电导率、高耐久性的碳材料；再进行整形处理，可以降低碳材料的粉体粒度，能够有利于制备表面平整，微孔层碳材料分布均匀的气体扩散层。将整形处理后的产物进行表面改性处理，可以提升碳材料表面的结构有序性，提高抗化学、电化学腐蚀能力等。整个制备过程方式简单，能够有效提高材料的高电导率性能及高疏水性耐久性能，提高碳材料的使用寿命，降低制备成本。
附图说明
图1为本申请实施例提供的碳材料的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的碳材料制备方法的流程示意图；
图3为实施例1、3及对比例1的碳材料的热失重图；
图4为实施例1、3及对比例1的碳材料涂覆制备燃料电池气体扩散层的电化学恒电位极化曲线图。
具体实施方式
以下所述是本发明实施例的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明实施例的保护范围。
本申请提供一种碳材料，碳材料包括碳颗粒，碳颗粒表面包括多个相连接的碳晶粒，相邻两个碳晶粒之间形成晶界；
碳颗粒表面的晶界密度为p，1≤p≤15；
其中，晶界密度通过以下的测试方法获得：
随机获取20份碳颗粒，通过拉曼光谱测试，测得碳颗粒的碳特征峰的峰面积ID与石墨特征峰的峰面积IG的比值ID/IG的值为Rn，n＝1，2，3…20；20份碳颗粒的ID/IG的平均值为R；
晶界密度D为碳颗粒的平均粒径。
在上述方案中，碳材料颗粒表面的碳晶粒之间的晶界密度越小时，碳颗粒表面易腐蚀位点越少，可以有效提高碳材料的使用寿命；碳颗粒的表面晶界密度越小，疏水性越好，反应产生的水分不容易在碳材料孔隙中聚集，有利于维持由该材料构成的微孔层其气孔结构的导气能力，提升电池在高湿度大电流密度工况下的电池性能。并且碳材料兼具高的电导率和高的石墨化程度。碳材料的电导率性能越好，碳材料的电子传输性能越强，电能损耗越低；碳材料的石墨化程度越高，材料的耐腐蚀性能越高。从而使得由该材料制得的气体扩散层在大电流密度下电化学转化效率高，兼具长使用寿命的特征。
可以理解地，碳颗粒为一次颗粒，一次颗粒能够团聚形成二次颗粒。
在一些实施方式中，碳颗粒的碳特征峰的峰面积ID与石墨特征峰的峰面积IG，0.15≤ID/IG≤1.5。
在一些实施方式中，晶界密度p具体可以是1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15等，在此不做限定。优选地，1≤p≤10。可以理解地，碳材料的腐蚀通常是沿着碳颗粒表面的晶界位置开始发生腐蚀。碳颗粒表面的晶界密度越小，则表面易腐蚀位点越少，碳材料能够具有更长的使用寿命。现有技术中的炭黑类材料表面具有较多的晶界，难以达到完整无晶界类足球烯结构状态。
晶界密度具体演变过程为：
碳颗粒的平均粒径为D，碳颗粒呈球型或类球型，那么碳颗粒的最大截面圆周长为Dπ，碳颗粒的外表面积为D2π。
碳晶粒的平均粒径可以通过拉曼光谱测试测得，碳颗粒的碳特征峰的峰面积ID与石墨特征峰的峰面积IG的比值ID/IG的平均值为R，碳晶粒的平均粒径La，可通过碳的拉曼D，G峰强度比计算，La＝4.4/R(拉曼激光波长λ＝514nm)。
在一些实施方式中，如图1所示，碳晶粒的平均粒径为La，3nm≤La≤30nm；具体可以是3nm、5nm、10nm、15nm、20nm、25nm或30nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。碳晶粒的平均粒径控制在上述范围内，可以降低碳晶粒之间的晶界密度，减少缺陷，使得碳材料的抗腐蚀能力增强。优选地，5nm≤La≤20nm。
在一些实施方式中，碳颗粒呈球状或类球状。在一些实施方式中，碳晶粒由碳层堆叠形成。
由于碳颗粒表面包括多个相连接的碳晶粒，那么，各个碳晶粒的表面积相加得到碳颗粒的外表面积，即碳晶粒的个数n＝碳颗粒的外表面积/碳晶粒的表面积，其计算公式如下式所示：
碳颗粒的晶界密度＝(碳晶粒个数*平均表面晶粒周长/2)/平均单颗粒周长，其计算公式如下式所示：
在一些实施方式中，碳颗粒的平均粒径为D，20nm≤D≤200nm；具体可以是20nm、50nm、60nm、80nm、90nm、100nm、120nm、150nm、180nm、190nm或200nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。碳颗粒的平均粒径控制在上述范围内，有利于获得具有良好排水、传气孔隙结构的碳材料，有利于形成表面平整的气体扩散层，减少气体扩散层与催化层的接触电阻。优选地，30nm≤D≤100nm。
在一些实施方式中，碳材料的粒径D90≤200μm，优选地，D90≤100μm。碳材料的D90过大，不利于形成表面平整的气体扩散层。合适尺寸的碳颗粒能够形成表面平整的气体扩散层，减少气体扩散层与催化层的接触电阻。
在一些实施方式中，碳材料具有高的石墨相结晶度，同时具有的高电导特性。
在一些实施方式中，通过X射线粉末衍射测试，测得碳材料的石墨相{002}的晶面层间距为d002 nm；碳材料在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率为σ(S/m)，且σ/d002≥2*108S/cm2。粉体电导率与晶面层间距的比值能够用于表征碳材料的高石墨化程度及高电导率特性。可以理解地，碳材料的石墨化程度越高，碳材料的耐腐蚀性能越高；碳材料的电导率性能越好，碳材料的电子传输性能越强，电能损耗越低。优选地，σ/d002≥3*108S/cm2。因此，本申请的碳材料的粉体电导率与晶面层间距能够控制在上述范围内，碳材料能够兼具高电导率特性及更长的使用寿命。
其中，通过X射线粉末衍射测试，测得碳材料的石墨相{002}晶面衍射峰角度，通过布拉格方程2dsinθ＝nλ，计算碳材料的{002}晶面层间距d002的值；
在一些实施方式中，碳颗粒的{002}晶面层间距为d002，0.338nm≤d200≤0.345nm；具体可以是0.338nm、0.339nm、0.340nm、0.341nm、0.342nm、0.343nm、0.344nm或0.345nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。碳颗粒的晶面层间距越小，碳材料具有较高的结晶性。
在一些实施方式中，通过粉末电导率测试，在对碳材料施加2.5kN压力下，测得碳材料的粉末电导率为σ，σ≥7S/m；具体可以是7S/m、7.5S/m、7.9S/m、8.5S/m、8.9S/m、9.5S/m、10.0S/m或11.0S/m等，但并不仅限于所列举的数值。碳材料的电导率越高，材料电子传输阻力越小，该碳材料制得的气体扩散层电池性能越高。
在一些实施方式中，碳材料的孔隙率≥60％，具体可以是60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％等，在此不做限定，碳材料的孔隙率越高，有利于反应气体在气体扩散层的扩散。优选地，碳材料的孔隙率≥80％。
在一些实施方式中，碳材料的粉体接触角为120°～155°，具体可以是120°、125°、130°、135°、140°、145°、150°或155°等，在此不做限定，碳材料的粉体接触角控制在上述范围内，有利于提高材料的疏水性能，反应产生的水分不容易在碳材料孔隙中聚集，进而也可避免腐蚀碳颗粒，可以提高碳材料的使用寿命。
在一些实施方式中，碳材料的比表面积为30m2/g～250m2/g；可选地，复合负极材料的比表面积比可以是30m2/g、40m2/g、60m2/g、80m2/g、100m2/g、120m2/g、140m2/g、160m2/g、180m2/g、200m2/g或250m2/g等，在此不做限定；可以理解地，比表面积控制在上述范围内，有利于碳材料具有更优的传气排水性能。
在一些实施方式中，碳材料的吸油值为100mL/100g～450mL/100g，具体可以是100mL/100g、200mL/100g、250mL/100g、300mL/100g、350mL/100g、400mL/100g或450mL/100g，碳材料吸油值越高，表示碳材料具有更好的传气排水性能。从材料传质性能考虑，优选地，碳材料的吸油值为250mL/100g～400mL/100g。
在一些实施方式中，碳材料的平均粒径为0.1μm～10μm，具体可以是0.1μm、0.2μm、0.4μm、0.5μm、0.8μm、1μm、2μm、3μm、5μm、8μm或10μm等，在此不做限定。
本申请还提供一种碳材料的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤S1，将包含炭黑材料与缺陷修补剂的混合物料置于1800℃～3000℃下进行碳化处理后，再进行整形处理；
步骤S2，在包含改性气体的气氛中，将整形处理产物进行表面改性处理，得到碳材料。
在上述方案中，将包含炭黑材料与缺陷修补剂的混合物料置于1800℃～3000℃下进行碳化处理，超高温度的碳化处理过程中，缺陷修补剂能够分解产生碳自由基或碳烯结构，是典型的缺电子中性活泼中间体，能够沉积在碳颗粒的表面，修复碳颗粒表面的缺陷，能够有利于获得表面晶界密更低的碳颗粒，有利于获得高度石墨化、高电导率、高耐久性的碳材料；再进行整形处理，可以降低碳材料的粉体粒度，能够有利于制备表面平整，微孔层碳材料分布均匀的气体扩散层。将整形处理后的产物进行表面改性处理，可以提升碳材料表面的结构有序性，提高抗化学、电化学腐蚀能力等。整个制备过程方式简单，能够有效提高材料的高电导率性能及高疏水性耐久性能，提高碳材料的使用寿命，降低制备成本。
以下详细介绍本方案：
在步骤S1之前，方法还包括：
将缺陷修补剂进行整形处理，整形后的缺陷修补剂与炭黑材料进行混合处理，得到混合物料。
在一些实施方式中，缺陷修补剂的整形方式为研磨，缺陷修补剂的研磨时间为1h～6h，使得整形后的缺陷修补剂的平均粒径达到0.1μm～1μm。
在一些实施方式中，研磨时间具体可以是1h、2h、3h、4h、5h或6h等，当然也可以是上述范围内的其他值，在此不做限定。具体研磨方式可以是球磨、机械研磨等，在此不做限定。
在一些实施方式中，整形后的缺陷修补剂的平均粒径具体可以是0.1μm、0.3μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm或1μm等，在此不做限定，百纳米级的颗粒粒径可以提高在缺陷修补剂在炭黑材料中的分散程度，且可以使缺陷修补剂较缓慢挥发均匀扩散。较小的粒径的修补剂在升温过程中会快速的挥发，失去修补剂的功能，较大粒径的修补剂难以均匀的分散，使得修补效果减弱。
在一些实施方式中，缺陷修补剂的沸点为50℃～400℃，具体可以是50℃、80℃、100℃、120℃、150℃、180℃、200℃、250℃、260℃、280℃、320℃、380℃或400℃等，当然也可以是上述范围内的其他值，在此不做限定。缺陷修补剂的沸点较低，在高温碳化过程中容易受热分解，形成碳自由基和/或碳烯结构，是典型的缺电子中性活泼中间体，能够沉积在碳颗粒的表面，修复碳颗粒表面的缺陷。
在一些实施方式中，缺陷修补剂包括挥发性有机物(VOCs)和/或半挥发性有机物(SVOCs)。其中，挥发性有机物(VOCs)的沸点为50℃～260℃，半挥发性有机物(SVOCs)的沸点为240℃～400℃。
在一些实施方式中，缺陷修补剂包括挥发性有机物，挥发性有机物包括樟脑、苯酚、邻苯二甲醛、间苯二甲醛、对苯二甲醛、对苯醌、苯甲酸、棕榈醇、氨基喹啉和萘中的至少一种。
在一些实施方式中，缺陷修补剂包括半挥发性有机物，半挥发性有机物包括苯二酚、邻苯二甲酸、间苯二甲醛和蒽中的至少一种。
在一些实施方式中，整形后的缺陷修补剂与炭黑材料的混合处理方式包括机械混合、搅拌混合中的至少一种。示例性地，利用混料机进行混合，提高混合物料的均一性。
在一些实施方式中，混合处理的时间为0.5h～3h，具体可以是0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h或3h等，当然也可以是上述范围内的其他值，在此不做限定。
步骤S1，将包含炭黑材料与缺陷修补剂的混合物料置于1800℃～3000℃下进行碳化处理后，再进行整形处理。
在一些实施方式中，炭黑材料与缺陷修补剂的质量比为10：(0.1～2)，具体可以是10:0.1、10:0.3、10:0.5、10:0.8、10:1、10:1.2、10:1.5、10:1.8或10:0.2等，当然也可以是上述范围内的其他值，在此不做限定。缺陷修补剂在碳化处理过程中，受热分解形成的碳自由基和/或碳烯结构能够沉积在碳颗粒的表面，修复碳颗粒表面的缺陷。
在一些实施方式中，炭黑材料的平均粒径为20nm～200nm，具体可以是20nm、50nm、60nm、80nm、90nm、100nm、120nm、150nm、180nm、190nm或200nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在一些实施方式中，炭黑材料的吸油值为100mL/100g～450mL/100g；具体可以是100mL/100g、200mL/100g、250mL/100g、300mL/100g、350mL/100g、400mL/100g或450mL/100g，在此不做限定。从材料传质性能考虑，优选地，炭黑材料的吸油值为300mL/100g～450mL/100g。
在一些实施方式中，通过拉曼光谱测试，炭黑材料具有碳特征峰ID和石墨特征峰IG，ID/IG≤2.0，具体可以是2.0、1.8、1.6、1.5、1.4、1.2、1.0、0.8、0.6等，在此不做限定。
在一些实施方式中，炭黑材料在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率σ≥8S/m，具体可以是8S/m、9S/m、10S/m、11S/m、12S/m、13S/m、14S/m或15S/m，在此不做限定。
在一些实施方式中，碳化处理的温度为1800℃～3000℃；具体可以是1800℃、1900℃、2000℃、2200℃、2300℃、2350℃、2400℃、2500℃、2600℃、2700℃、2800℃或3000℃。较高的碳化温度，有利于使得碳材料高度石墨化，从而形成连接成片的碳晶粒，降低碳材料表面的晶界密度。
在一些实施方式中，碳化处理的时间为0.1h～12h；具体可以是0.1h、0.2h、0.5h、1h、2h、4h、6h、8h、10h或12h。充分碳化处理后，形成的碳材料，具有高结晶性，高石墨化特征。
在一些实施方式中，碳化处理的升温速率为2℃/min～30℃/min，例如可以是2℃/min、3℃/min、5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min或30℃/min。
在一些实施方式中，碳化处理后的降温速率为1℃/min～20℃/min，具体可以是1℃/min、2℃/min、3℃/min、5℃/min、6℃/min、8℃/min、10℃/min、12℃/min、14℃/min、16℃/min、18℃/min或20℃/min，降温至室温即可。
在一些实施方式中，碳化处理在惰性气体保护下进行，惰性气体包括氩气、氖气、氦气和氪气中的至少一种。
在一些实施方式中，整形处理包括球磨、砂磨、辊磨、搅拌磨、滚磨和行星磨中的至少一种。优选地，整形处理方式为球磨，球磨时间为0.5h～24h；具体可以是0.5h、1h、2h、3h、4h、5h、6h、8h、12h、16h、18h、20h或24h等，但并不仅限于所列举的数值。可以理解地，充分整形处理，可以降低碳材料的粉体粒度，得到碳材料粒度更均一，能够有利于制备表面平整，微孔层碳材料分布均匀的气体扩散层。
在一些实施方式中，在将整形处理产物进行表面改性处理之前，方法还包括：将整形处理产物进行筛分。
在一些实施方式中，筛分的方式包括固定筛、滚筒筛、共振筛、滚轴筛、振动筛、链条筛中任意一种，筛分的目数为≥400目，具体地，筛分的目数可以是400目、350目、300目、250目、200目、150目、100目、70目、50目等，材料的粒径控制在上述范围内，有利于形成表面平整的气体扩散层。
步骤S2，在包含改性气体的气氛中，将整形处理产物进行表面改性处理，得到碳材料。
在一些实施方式中，改性气体包括二氧化碳、空气、水蒸气、氧气、氮气和氨气中的至少一种。
在一些实施方式中，气氛还包括惰性气体，惰性气体包括氩气、氖气、氦气和氪气中的至少一种。
在一些实施方式中，气氛中的改性气体与惰性气体的体积比为(0.5～10)：10；具体可以是0.5:10、1:10、2:10、3:10、4:10、5:10、6:10、7:10、8:10、9:10或10:10等，在此不做限定。
在一些实施方式中，表面改性处理的温度为400℃～1700℃；具体可以是400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1200℃、1400℃、1500℃、1600℃或1700℃。在该温度范围内，有利于保持碳化后的碳材料结构特性不被破坏，且可以在碳表面引入其他非碳元素，进行表面修饰改性，提升碳材料表面的结构有序性，提高抗化学、电化学腐蚀能力。优选地，表面改性处理的温度为500℃～1200℃。
在一些实施方式中，表面改性处理的时间为0.5h～3h；具体可以是0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h或3h等，但并不仅限于所列举的数值。
在一些实施方式中，表面改性处理的升温速率为2℃/min～30℃/min；具体可以是2℃/min、5℃/min、7℃/min、10℃/min、15℃/min、18℃/min、20℃/min、25℃/min或30℃/min等，但并不仅限于所列举的数值。
本申请提供一种燃料电池，燃料电池包括多个具有气体扩散层的电池单元，气体扩散层包括上述的碳材料或根据上述的制备方法制得的碳材料。
下面分多个实施例对本发明实施例进行进一步的说明。其中，本发明实施例不限定于以下的具体实施例。在不变主权利的范围内，可以适当的进行变更实施。
实施例1
(1)选择樟脑作为缺陷修补剂，将樟脑置于球磨罐中进行研磨处理，滚磨研磨3h，得到研磨后的樟脑，其平均粒径为0.5μm；
(2)选择满足平均粒径为35nm、吸油值为350mL/100g炭黑材料，炭黑材料的碳特征峰和石墨特征峰ID/IG＝1.53，在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率σ＝10.0S/m；将炭黑材料与研磨后的樟脑置于混料机中进行混合，炭黑材料与樟脑的质量比为10：0.5，混合时间为1h，得到混合物料；
(3)将混合物料装入石墨坩埚中放入石墨化炉内，在氩气气氛下，控制升温速率为10℃/min，升温至1800℃高温碳化处理1h，待样品冷却至室温后取出。
(4)将碳化处理后的产物移入5L球磨罐中，滚磨研磨3h，将团聚的大颗粒碳材料破碎为小颗粒碳材料，将研磨后的碳材料过100目筛；将过筛后的材料在空气和氩气混合气氛中500℃热处理2h，空气与氩气的体积比为5:10；得到碳材料。
本实施例制得的碳材料包括若干碳颗粒，碳颗粒呈球状，所述碳颗粒表面包括多个相连接的碳晶粒，所述碳颗粒表面的晶界密度p为12.7。
实施例2
(1)选择樟脑作为缺陷修补剂，将樟脑置于球磨罐中进行研磨处理，滚磨研磨3h，得到研磨后的樟脑，其平均粒径为0.5μm；
(2)选择满足平均粒径为35nm、吸油量为350mL/100g炭黑材料，炭黑材料的碳特征峰和石墨特征峰ID/IG＝1.53，在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率σ＝10.0S/m，将炭黑材料与研磨后的樟脑置于混料机中进行混合，炭黑材料与樟脑的质量比为10：0.5，混合时间为1h，得到混合物料；
(3)将混合物料装入石墨坩埚中放入石墨化炉内，在氩气气氛下，控制升温速率为10℃/min，升温至2200℃高温碳化处理1h，待样品冷却至室温后取出。
(4)将碳化处理后的产物移入5L球磨罐中，滚磨研磨3h，将团聚的大颗粒碳材料破碎为小颗粒碳材料，将研磨后的碳材料过100目筛；将过筛后的碳材料在空气和氩气混合气氛中500℃热处理2h，空气与氩气的体积比为5:10；得到碳材料。
本实施例制得的碳材料包括若干碳颗粒，碳颗粒呈球状，所述碳颗粒表面包括多个相连接的碳晶粒，所述碳颗粒表面的晶界密度p为8.7。
实施例3
(1)选择樟脑作为缺陷修补剂，将樟脑置于球磨罐中进行研磨处理，滚磨研磨4h，得到研磨后的樟脑，其平均粒径为1μm；
(2)选择满足平均粒径为35nm、吸油量为350mL/100g炭黑材料，炭黑材料的碳特征峰和石墨特征峰ID/IG＝1.53，在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率σ＝10.0S/m，将炭黑材料与研磨后的樟脑置于混料机中进行混合，炭黑材料与樟脑的质量比为10：0.5，混合时间为2h，得到混合物料；
(3)将混合物料装入石墨坩埚中放入石墨化炉内，在氩气气氛下，控制升温速率为10℃/min，升温至2800℃高温碳化处理1h，待样品冷却至室温后取出。
(4)将碳化处理后的产物移入5L球磨罐中，滚磨研磨3h，将团聚的大颗粒碳材料破碎为小颗粒碳材料，将研磨后的碳材料过100目筛；将过筛后的碳材料在空气和氩气混合气氛中500℃热处理2h，空气与氩气的体积比为5:10；得到碳材料。
本实施例制得的碳材料包括若干碳颗粒，碳颗粒呈球状，所述碳颗粒表面包括多个相连接的碳晶粒，所述碳颗粒表面的晶界密度p为4.4。
实施例4
(1)选择喹啉作为缺陷修补剂，将喹啉置于球磨罐中进行研磨处理，滚磨研磨6h，得到研磨后的喹啉，其平均粒径为0.5μm；
(2)选择满足平均粒径为35nm、吸油量为350mL/100g炭黑材料，炭黑材料的碳特征峰和石墨特征峰ID/IG＝1.53，在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率σ＝10.0S/m，将炭黑材料与研磨后的喹啉置于混料机中进行混合，炭黑材料与喹啉的质量比为10：0.1，混合时间为2h，得到混合物料；
(3)将混合物料装入石墨坩埚中放入石墨化炉内，在氩气气氛下，控制升温速率为10℃/min，升温至3000℃高温碳化处理1h，待样品冷却至室温后取出。
(4)将碳化处理后的产物移入5L球磨罐中，滚磨研磨3h，将团聚的大颗粒碳材料破碎为小颗粒碳材料，将研磨后的碳材料过100目筛；将过筛后的碳材料在空气和氩气混合气氛中500℃热处理2h，空气与氩气的体积比为5:10；得到碳材料。
本实施例制得的碳材料包括若干碳颗粒，碳颗粒呈球状，所述碳颗粒表面包括多个相连接的碳晶粒，所述碳颗粒表面的晶界密度p为4.3。
实施例5
(1)选择苯乙烯作为缺陷修补剂，将苯乙烯置于球磨罐中进行研磨处理，滚磨研磨2h，得到研磨后的苯乙烯，其平均粒径为0.5μm；
(2)选择满足平均粒径为35nm、吸油量为350mL/100g炭黑材料，炭黑材料的碳特征峰和石墨特征峰ID/IG＝1.53，在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率σ＝10.0S/m，将炭黑材料与研磨后的苯乙烯置于混料机中进行混合，炭黑材料与苯乙烯的质量比为10：1，混合时间为3h，得到混合物料；
(3)将混合物料装入石墨坩埚中放入石墨化炉内，在氩气气氛下，控制升温速率为10℃/min，升温至2800℃高温碳化处理1h，待样品冷却至室温后取出。
(4)将碳化处理后的产物移入砂磨机中，砂磨5h，将团聚的大颗粒碳材料破碎为小颗粒碳材料，将研磨后的碳材料过100目筛；将过筛后的碳材料在水蒸气和氩气混合气氛中400℃热处理2h，水蒸气与氩气的体积比为5:10；得到碳材料。
本实施例制得的碳材料包括若干碳颗粒，碳颗粒呈球状，所述碳颗粒表面包括多个相连接的碳晶粒，所述碳颗粒表面的晶界密度p为4.8。
实施例6
(1)选择苯酚作为缺陷修补剂，将苯酚置于球磨罐中进行研磨处理，滚磨研磨3h，得到研磨后的苯酚，其平均粒径为0.8μm；
(2)选择满足平均粒径为35nm、吸油值为350mL/100g炭黑材料，炭黑材料的碳特征峰和石墨特征峰ID/IG＝1.53，在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率σ＝10.0S/m，将炭黑材料与研磨后的苯酚置于混料机中进行混合，炭黑材料与苯酚的质量比为10：2，混合时间为1.5h，得到混合物料；
(3)将混合物料装入石墨坩埚中放入石墨化炉内，在氩气气氛下，控制升温速率为10℃/min，升温至2800℃高温碳化处理1h，待样品冷却至室温后取出。
(4)将碳化处理后的产物移入5L球磨罐中，滚磨研磨3h，将团聚的大颗粒碳材料破碎为小颗粒碳材料，将研磨后的碳材料过100目筛；将过筛后的材料在氨气和氩气混合气氛中800℃热处理2h，氨气与氩气的体积比为5:10；得到碳材料。
本实施例制得的碳材料包括若干碳颗粒，碳颗粒呈球状，所述碳颗粒表面包括多个相连接的碳晶粒，所述碳颗粒表面的晶界密度p为4.6。
实施例7
(1)选择樟脑作为缺陷修补剂，将樟脑置于球磨罐中进行研磨处理，滚磨研磨4h，得到研磨后的樟脑，其平均粒径为1μm；
(2)选择满足平均粒径为35nm、吸油量为350mL/100g炭黑材料，炭黑材料的碳特征峰和石墨特征峰ID/IG＝1.53，在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率σ＝10.0S/m，将炭黑材料与研磨后的樟脑置于混料机中进行混合，炭黑材料与樟脑的质量比为10：0.05，混合时间为2h，得到混合物料；
(3)将混合物料装入石墨坩埚中放入石墨化炉内，在氩气气氛下，控制升温速率为10℃/min，升温至2800℃高温碳化处理1h，待样品冷却至室温后取出。
(4)将碳化处理后的产物移入5L球磨罐中，滚磨研磨3h，将团聚的大颗粒碳材料破碎为小颗粒碳材料，将研磨后的碳材料过100目筛；将过筛后的碳材料在空气和氩气混合气氛中500℃热处理2h，空气与氩气的体积比为5:10；得到碳材料。
本实施例制得的碳材料包括二次颗粒，二次颗粒包括若干碳颗粒，碳颗粒呈球状，所述碳颗粒表面包括多个相连接的碳晶粒，所述碳颗粒表面的晶界密度p为6.2。
实施例8
(1)选择樟脑作为缺陷修补剂，将樟脑置于球磨罐中进行研磨处理，高能球磨4h，得到研磨后的樟脑，其平均粒径为50nm；
(2)选择满足平均粒径为35nm、吸油量为350mL/100g炭黑材料，炭黑材料的碳特征峰和石墨特征峰ID/IG＝1.53，在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率σ＝10.0S/m，将炭黑材料与研磨后的樟脑置于混料机中进行混合，炭黑材料与樟脑的质量比为10：0.5，混合时间为2h，得到混合物料；
(3)将混合物料装入石墨坩埚中放入石墨化炉内，在氩气气氛下，控制升温速率为10℃/min，升温至2800℃高温碳化处理1h，待样品冷却至室温后取出。
(4)将碳化处理后的产物移入5L球磨罐中，滚磨研磨3h，将团聚的大颗粒碳材料破碎为小颗粒碳材料，将研磨后的碳材料过100目筛；将过筛后的碳材料在空气和氩气混合气氛中500℃热处理2h，空气与氩气的体积比为5:10；得到碳材料。
本实施例制得的碳材料包括若干碳颗粒，碳颗粒呈球状，所述碳颗粒表面包括多个相连接的碳晶粒，所述碳颗粒表面的晶界密度p为5.7。
对比例1：
选择满足平均粒径为35nm、吸油值为350mL/100g炭黑材料，炭黑材料的碳特征峰和石墨特征峰ID/IG＝1.53，在2.5kN/cm2加压下的碳材料粉体电导率σ＝10.0S/m炭黑材料作为碳材料。
对比例2：
选择满足平均粒径为36nm、吸油值为320mL/100g炭黑材料，炭黑材料的碳特征峰和石墨特征峰ID/IG＝1.46，在2.5kN/cm2加压下的碳材料粉体电导率σ＝12.9S/m的炭黑材料XC72作为碳材料。
对比例3：
与实施例3的区别在于：未添加缺陷修补剂。
对比例4：
选择满足长为15μm、直径15nm的多壁碳纳米管，在2.5kN/cm2加压下的碳材料粉体电导率σ＝25.6S/m，作为碳材料。
对比例5：
选择单层的石墨烯，在2.5kN/cm2加压下的碳材料粉体电导率σ＝27.8S/m，作为碳材料。
对比例6
(1)选择樟脑作为缺陷修补剂，将樟脑置于球磨罐中进行研磨处理，滚磨研磨4h，得到研磨后的樟脑，其平均粒径为1μm；
(2)选择满足平均粒径为35nm、吸油量为350mL/100g炭黑材料，炭黑材料的碳特征峰和石墨特征峰ID/IG＝1.53，在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率σ＝10.0S/m，将炭黑材料与研磨后的樟脑置于混料机中进行混合，炭黑材料与樟脑的质量比为10：0.5，混合时间为2h，得到混合物料；
(3)将混合物料装入石墨坩埚中放入石墨化炉内，在氩气气氛下，控制升温速率为10℃/min，升温至2800℃高温碳化处理1h，待样品冷却至室温后取出。
测试：
1)碳材料的粒度测试方法：
粒度测试方法参照GB/T 19077-2016。可以用激光粒度分析仪方便地测定，如英国马尔文仪器有限公司的Mastersizer 3000型激光粒度分析仪。
2)碳材料比表面积的测试方法：
在恒温低温下，测定不同相对压力时的气体在固体表面的吸附量后，基于布朗诺尔-埃特-泰勒吸附理论及其公式(BET公式)求得试样单分子层吸附量，从而计算出材料的比表面积。
3)碳晶粒的平均粒径La及晶界密度的测试方法：
随机获取20份碳颗粒，通过拉曼光谱测试(拉曼激光波长λ＝514nm)，测得碳颗粒的碳特征峰的峰面积ID与石墨特征峰的峰面积IG的比值ID/IG的值为Rn，n＝1，2，3…20；20份碳颗粒的ID/IG的平均值为R；
碳晶粒的平均粒径La＝4.4/R；
晶界密度D为所述碳颗粒的平均粒径。
4)晶面层间距d002的测试方法：
通过XRD粉末衍射测得C{002}晶面衍射角位置，由布拉格方程(Bragg衍射公式)2d002 sinθ＝λK得到的，得到碳材料{002}晶面层间距d002。
5)颗粒形状及碳晶粒形状的测试方法：
通过原子力显微镜(AFM)以及高倍投射显微镜(HRTEM)测量碳颗粒的样貌。6)孔隙率的测试方法：
孔隙率的测试方法参照GB/T 21650-2008，可以用压汞仪方便地测定。
7)粉体接触角的测试方法：
将粉末放入装粉末的槽内并压紧，通过接触角测试仪测试碳粉体材料接触角。
8)吸油值的测试方法：
将亚麻仁油以恒定速度滴在未改性碳材料和改性碳材料粉末内，利用旋转翼对粉末进行搅拌，亚麻仁油量增大会带来混合物粘度增大，吸油值为当粘度变化产生的扭矩达到最大扭矩的70％时添加进碳材料粉体内得亚麻仁油的量。
9)材料粉末电导率的测试方法：
采用电阻率测试仪(苏州晶格电子ST-2255A)，取5g粉末样品，用电子压力机恒压至5000kg±2kg，维持15-25s，将样品置于测试仪电极间，样品高度h(cm)，两端电压U，电流I，电阻R(KΩ)粉压片后的面积S＝3.14cm2，根据公式δ＝h/(S*R)/1000计算得到粉末电导率，单位为S/m。
10)电池性能测试方法
通过电池测试台架测试碳材料制备气体扩散层单电池性能，所用膜电极阳极催化剂载量0.1mg·cm-2，阴极催化剂载量0.4mg·cm-2，电池运行温度80℃，湿度100RH％，电池背压150kPa/150kPa。记录电池在2A/cm2电流密度下的电池电压。
11)电池内阻方法
在2A/cm2电流密度、5kHz的交流信号下，通过电化学组抗仪高频阻抗测试测试单电池内阻；上述性能测试的结果如下：
根据实施例1～6的测试数据可知，通过上述方法制备得到的碳材料，碳材料颗粒表面的碳晶粒之间的晶界密度变小时，碳颗粒表面易腐蚀位点越少，可以有效提高碳材料的使用寿命；碳颗粒的表面晶界密度越小时，疏水性越好，反应产生的水分不容易在碳材料孔隙中聚集，有利于维持由该材料构成的微孔层其气孔结构的导气能力，提升电池在高湿度大电流密度工况下的电池性能。并且碳材料兼具高的电导率和高的石墨化程度。同类碳材料的电导率性能越好，碳材料的电子传输性能越强，电池内阻越小，电能损耗越低；当碳材料的σ/d002≥3*108S/cm2(0.338nm≤d002≤0.345nm)时，由其制成的电池在2A/cm2电流密度下工作电压高于0.57V，优于其他碳材料的电池电压30mV以上，相应的电池输出功率也就越大；碳材料的石墨化程度越高，材料的耐腐蚀性能越高。从而使得由该材料制得的气体扩散层在大电流密度下电化学转化效率高，兼具长使用寿命的特征。
根据图3所示，实施例1、3以及对比例1的碳材料的热失重图可知，对比例1的碳材料在600℃～700℃范围内快速热分解，热稳定性明显低于实施例1或3。
根据图4所示，实施例1、3以及对比例1的碳材料的涂覆制备燃料电池气体扩散层的电化学恒电位极化曲线图可知，通过模拟燃料电池反极状态下测试碳材料的抗电化学腐蚀能力。在2V(vs RHE)电压下，恒电位极化测试由实施例1、3以及对比例1的碳材料作为微孔层碳，分别涂覆制备的气体扩散层电化学稳定性。由图4中测试结果可以看出，经过高温处理的实施例1、3表现出明显高于对比例1的电化学稳定性。
实施例7相比于实施例3，添加的缺陷修补剂含量过少，碳颗粒表面的缺陷修复的不够，碳颗粒的晶界密度相比于实施例3有了明显上升，说明适量的缺陷修补剂能够充分修补碳颗粒表面缺陷，制成成晶界密度更小的碳颗粒。
实施例8相比于实施例3，添加的缺陷修补剂粒径过小，碳颗粒表面的缺陷不能够有效修复，碳颗粒的晶界密度相比于实施例3有了明显上升，说明使用适当的缺陷修补剂粒径能够有效修补碳颗粒表面缺陷，制备晶界密度更小的碳颗粒。对比例1～2为现有常用的微孔层碳材料，在燃料电池表现出良好的性能。但炭黑材料晶界密度p值较大，腐蚀位点较多，在电池长时间的运行中，由于反极、以及酸性高氧等容易发生碳腐蚀的工作环境下，炭黑材料会发生快速的劣化，整体的使用寿命较短。
对比例3与实施例3的区别在于，对比例3未加入缺陷修补剂，炭黑材料的表面不能充分沉积形成堆叠碳层，碳颗粒表面的晶界密度相比于实施例3明显增大，电池长时间运行后，容易发生碳腐蚀，电池使用寿命下降。
对比例4采用长为15μm、直径15nm的多壁碳纳米管作为碳材料，多壁碳纳米管具有高于炭黑的导电能力和耐腐蚀能力，使用该纳米碳材料涂覆制备的气体扩散层，容易形成管簇堆叠结构导致涂覆不均匀进而使用该气体扩散层装配的电池性能在小电流密度下具有高的电子传输性能；但随电流密度增加，电池的传质性能下降。
对比例5选择单层有序的石墨烯，单层的石墨烯具有结晶良好的二维平面结构，耐腐性高，且具有较高的电子传输性能。但也是由于其片层结构的原因，堆叠的片层会堵塞基底的孔隙结构，严重限制了反应中的水、气传输。由单一石墨烯作为微孔层碳材料制备出的气体扩散层，其性能随着功率密度的增加而快速衰减。
对比例6相比于实施例3，未使用改性气体处理碳材料，通过中低温度下的氧化性气体处理碳材料，可以去除因修复剂及炭黑材料中较易挥发部分在高温下气化后在碳表面沉积的无定性碳。碳晶粒的晶界密度相比于实施例3有了明显的上升，电导率明显下降，孔隙率及比表面积略有下降。说明使用氧化性气体能够有效去除碳颗粒表面的无定性结构，制备晶界密度更小，电导性能更高的碳颗粒。本申请虽然以较佳实施例公开如上，但并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本申请构思的前提下，都可以做出若干可能的变动和修改，因此本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种碳材料，其特征在于，所述碳材料包括碳颗粒，所述碳颗粒表面包括多个相连接的碳晶粒，相邻两个碳晶粒之间形成晶界；
所述碳颗粒表面的晶界密度为p，1≤p≤15；
其中，所述晶界密度通过以下的测试方法获得：
随机获取20份碳粉体颗粒，通过拉曼光谱测试，测得碳粉体颗粒的碳特征峰的峰面积ID与石墨特征峰的峰面积IG的比值ID/IG的值为Rn，n＝1，2，3…20；20份碳粉体颗粒的ID/IG的平均值为R；
晶界密度D为所述碳颗粒的平均粒径；所述碳材料在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率为σS/m，σ≥8.4。
2.根据权利要求1所述的碳材料，其特征在于，所述碳材料具有如下特征中的至少一种：
(1)所述碳颗粒呈球状或类球状；
(2)所述碳颗粒的平均粒径为D，20nm≤D≤200nm；
(3)所述碳晶粒由碳层堆叠形成；
(4)所述碳晶粒的平均粒径为La，3nm≤La≤30nm。
3.根据权利要求1所述的碳材料，其特征在于，通过X射线粉末衍射测试，测得所述碳材料的石墨相{002}的晶面层间距为d002nm；
所述碳材料在2.5kN/cm2加压下的粉体电导率为σS/m，且σ/d002≥2*108S/cm2。
4.根据权利要求3所述的碳材料，其特征在于，所述碳材料的石墨相{002}的晶面层间距为d002nm，0.338≤d002≤0.345。
5.根据权利要求1～4任一项所述的碳材料，其特征在于，所述碳材料具有如下特征中的至少一种：
(1)所述碳材料的孔隙率≥60％；
(2)所述碳材料的粉体接触角为120°～155°；
(3)所述碳材料的比表面积为30m2/g～250m2/g；
(4)所述碳材料的吸油值为100mL/100g～450mL/100g；
(5)所述碳材料的平均粒径为0.1μm～10μm。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将包含炭黑材料与缺陷修补剂的混合物料置于1800℃～3000℃下进行碳化处理后，再进行整形处理；
在包含改性气体的气氛中，将整形处理产物进行表面改性处理，得到所述碳材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述方法具有如下特征中的至少一种：
(1)所述缺陷修补剂的沸点为50℃～400℃；
(2)所述缺陷修补剂包括挥发性有机物和/或半挥发性有机物；
(3)所述缺陷修补剂包括挥发性有机物，所述挥发性有机物包括樟脑、苯酚、邻苯二甲醛、间苯二甲醛、对苯二甲醛、对苯醌、苯甲酸、棕榈醇、氨基喹啉和萘中的至少一种；
(4)所述缺陷修补剂包括半挥发性有机物，所述半挥发性有机物包括苯二酚、邻苯二甲酸、间苯二甲醛和蒽中的至少一种；
(5)在将包含炭黑材料与缺陷修补剂的混合物料置于1800℃～3000℃下进行碳化处理之前，所述方法还包括将缺陷修补剂进行整形处理，整形后的修补剂与炭黑材料进行混合处理，得到混合物料；
(6)所述缺陷修补剂的平均粒径为0.1μm～1μm；
(7)所述炭黑材料与所述缺陷修补剂的质量比为10：(0.1～2)；
(8)所述炭黑材料的平均粒径为20nm～200nm；
(9)所述炭黑材料的吸油值为100mL/100g～450mL/100g；
(10)通过拉曼光谱测试，所述炭黑材料具有碳特征峰ID和石墨特征峰IG，ID/IG≤2.0；
(11)所述炭黑材料在2.5kN/cm2压力下的粉体电导率σ≥8S/m。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述方法具有如下特征中的至少一种：
(1)所述碳化处理的时间为0.1h～3h；
(2)所述碳化处理的升温速率为2℃/min～30℃/min；
(3)所述碳化处理在惰性气体保护下进行，所述惰性气体包括氩气、氖气、氦气和氪气中的至少一种；
(4)所述整形处理包括球磨、砂磨、辊磨、搅拌磨、滚磨和行星磨中的至少一种；
(5)在所述将整形处理产物进行表面改性处理之前，所述方法还包括：将整形处理产物进行筛分。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述方法具有如下特征中的至少一种：
(1)所述改性气体包括二氧化碳、空气、水蒸气、氧气、氮气和氨气中的至少一种；
(2)所述气氛还包括惰性气体，所述惰性气体包括氩气、氖气、氦气和氪气中的至少一种；
(3)所述气氛中的改性气体与所述惰性气体的体积比为(0.5～10):10；
(4)所述表面改性处理的温度为400℃～1700℃；
(5)所述表面改性处理的升温速率为2℃/min～30℃/min。
10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括多个具有气体扩散层的电池单元，所述气体扩散层包括权利要求1～5任一项所述的碳材料或根据权利要求6～9任一项所述的制备方法制得的碳材料。
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