Papier z włókna węglowego do ogniw paliwowych i warstwy dyfuzyjnej gazu (GDL)

Papier z włókna węglowego to podobny do papieru materiał kompozytowy wytwarzany z ciętych włókien węglowych jako surowca, z naturalną lub syntetyczną miazgą jako matrycą i uzupełniony spoiwami i wypełniaczami w procesie wytwarzania papieru. Carbon paper is the main substrate of the gas diffusion layer in fuel cells. Proces przekształcania włókien węglowych w papier węglowy jest jednym z głównych wyzwań w produkcji warstwy dyfuzyjnej gazu, wymagającym od materiału spełnienia wielu wymagań wydajnościowych, w tym kontrolowanej porowatości, doskonałej przewodności cieplnej i elektrycznej, wystarczającej wytrzymałości mechanicznej, dużej hydrofobowości i wysokiej odporności na korozję.

1. Proces produkcyjny

Procesy produkcji kalki dzielą się na procesy mokre i suche. Proces mokry to dojrzała technologia, stosowana przez takich producentów jak m.inTorayISGL Carbon. Kalka przygotowana w procesie mokrym ma dobrą jednorodność i gęstą strukturę i jest metodą powszechnie stosowaną w przypadku wysokowydajnej kalki w ogniwach paliwowych za granicą.

Suchy proces przygotowania kalki jest technologią szybko rozwijającą się w ostatnich latach. Metoda ta wykorzystuje powietrze jako medium i wykorzystuje proces formowania wstęgi w przepływie powietrza w celu przetworzenia papieru na papier bazowy, po którym następują kolejne procesy, takie jak klejenie, suszenie i karbonizacja. Kluczową cechą papieru kalkowego jest wysoka zawartość włókna węglowego i wysoka wytrzymałość produktu.

1. Proces formowania na sucho w celu przygotowania papieru z włókna węglowego

Formowanie na sucho jest w ostatnich latach szybko rozwijającą się technologią papierniczą. Najpierw krótko cięte włókna węglowe są otwierane i rozpraszane w jednolite pojedyncze włókna. Następnie, wykorzystując powietrze jako medium, szybko formuje się wstęgę, aby utworzyć papier bazowy. Następnie następuje łączenie za pomocą kleju, prasowanie na gorąco, utwardzanie, karbonizacja i grafityzacja w celu wytworzenia papieru z włókna węglowego.

Krótko cięte włókna węglowe stosowane w procesie formowania na sucho mają zazwyczaj długość 40-50 mm. Powstały papier z włókna węglowego ma wysoką zawartość włókna węglowego, wysoką wytrzymałość produktu i wysoką przewodność.

Jednak ze względu na większą długość włókien są one trudne do rozproszenia, łatwo się splątują i tworzą węzły. Nakładanie się włókien węglowych również wzmacnia efekt „pomostowy”, tworząc strukturę o dużych porach, co skutkuje stosunkowo słabą jednorodnością i luźną strukturą papieru z włókna węglowego.

2. Proces formowania na mokro papieru z włókna węglowego

Obecnie najbardziej zbadanym i szeroko stosowanym procesem przygotowania wysokowydajnego papieru z włókna węglowego do PEMFC, zarówno w kraju, jak i za granicą, jest proces formowania na mokro. W procesie tym wykorzystuje się wodę jako medium, równomiernie rozprowadzając w wodzie krótko przycięte włókna węglowe (3-20 mm) o różnej długości.

Następnie papier bazowy z włókna węglowego jest szybko filtrowany próżniowo na sicie filtra za pomocą maszyny papierniczej. Kolejne procesy obejmują impregnację żywicą, utwardzanie w prasie na gorąco i karbonizację/grafityzację w celu wytworzenia produktu końcowego.

W porównaniu do formowania na sucho, formowanie na mokro pozwala uzyskać papier z włókna węglowego o doskonałej gęstości i jednorodności, dzięki czemu doskonale nadaje się do przetwarzania na papier z włókna węglowego specyficzny dla PEMFC.

Co więcej, wskaźniki wydajności papieru z włókna węglowego produkowanego w kraju i za granicą są ogólnie odniesione do serii „TGPH” papieru z włókna węglowego specyficznego dla PEMFC, produkowanego przez Toray Industries, Inc. z Japonii.

2. Wyzwania techniczne

Ciągła produkcja papieru kalkowego stoi przed wieloma wyzwaniami inżynieryjnymi. Zapewnienie ciągłej produkcji oraz poprawa jednolitości i stabilności jakości produktu to kluczowe kwestie podczas produkcji masowej.

Obecnie masowa produkcja papieru kalkowego na dużą skalę jest w Chinach trudna, przede wszystkim ze względu na złożone procesy i sprzęt związany z grafityzacją i obróbką końcową włókien węglowych.

1. Koordynacja procesów w produkcji ciągłej „roll-to-roll”.

Niektórzy producenci kalki mogą wytwarzać wyłącznie produkty z kalki arkuszowej, stosując przerywane procesy produkcyjne, które utrudniają zagwarantowanie jednolitości jakości produktu.

Produkcja typu roll-to-roll jest ważną metodą ciągłej produkcji kalki, którą można podzielić na formowanie dyspersyjne, impregnację żywicą i prasowanie na gorąco oraz karbonizację i grafityzację.

Na etapie tworzenia dyspersji równomierne rozproszenie włókien węglowych i tworzenie wstęgi są ważnymi czynnikami wpływającymi na ciągłą produkcję kalki.

Ponieważ mokry blankiet z kalki nie ma siły przylegania, jest podatny na rozdarcie pod wpływem nierównomiernego naprężenia. Dlatego różne etapy, takie jak dyspersja włókien, formowanie wstęgi, prędkość blankietu kalki i nawijanie kalki muszą być skoordynowane i zsynchronizowane, aby zapewnić ciągłe formowanie kalki.

Na etapie impregnacji żywicy i prasowania na gorąco kluczowe znaczenie mają skoordynowane działania, w tym kontrola ilości impregnacji żywicą, suszenie kalki, ciągłe prasowanie na gorąco i nawijanie kalki.

Podczas etapu karbonizacji lub grafityzacji w wysokiej temperaturze kluczem do ciągłej pracy jest koordynacja prędkości przemieszczania się bibuły węglowej z czasem przebywania w różnych zakresach temperatur w piecu wysokotemperaturowym.

2. Kontrola jednolitości jakości produktu

Słaba jednorodność jakości partii jest jednym z głównych czynników ograniczających obecny brak krajowego zamiennika kalki.

Niejednolita grubość prowadzi do odchyleń w gęstości nasypowej podczas montażu stosu włókien węglowych, wpływając na dystrybucję wody i przepuszczalność elektrod.

Niejednolita rezystywność pogarsza przewodzącą strukturę sieci warstwy dyfuzyjnej, wpływając na jednorodność gęstości prądu.

Niespójne właściwości mechaniczne powodują zmiany wytrzymałości na rozciąganie i zginanie, co może prowadzić do pęknięcia elektrody podczas układania w stosy.

Problem niskiej jednorodności jakości w masowej produkcji bibułki węglowej jest zasadniczo spowodowany niejednorodną i niestabilną strukturą sieci węglowej po karbonizacji struktury kompozytowej włókno węglowe-żywica.

3. Przełomy inżynieryjne w zakresie kluczowych urządzeń

Urządzenia do formowania to podstawowa technologia dla producentów kalki. Konieczne są dalsze badania, aby spełnić wymagania dotyczące formowania jednowarstwowej kalki o dużej gramaturze do określonych zastosowań.

Sprzęt do impregnacji żywicą ma również kluczowe znaczenie w ciągłej produkcji kalki. Kluczowym wyzwaniem jest ilościowa impregnacja żywicy, aby zapewnić równomierne i równomierne obciążenie żywicą.

Ciągłe prasowanie na gorąco i utwardzanie staje się trudniejsze w produkcji masowej. Dlatego też uwagę zwróciły programowane, schodkowe prasy płaskie i prasy dwutaśmowe.

Zagraniczne prasy dwutaśmowe na gorąco zapewniają wyższą precyzję sterowania, podczas gdy sprzęt krajowy wciąż pozostaje w tyle.

Wreszcie największym wyzwaniem jest sprzęt do ciągłej karbonizacji i grafityzacji. Dzięki precyzyjnej kontroli procesu nagrzewania kalka może osiągnąć idealne wskaźniki wydajności.

W ciągłej karbonizacji i grafityzacji system ochrony kurtyny powietrznej ma kluczowe znaczenie. Instalując uszczelnienia gazowe lub kurtyny powietrzne na obu końcach pieca, izoluje powietrze zewnętrzne, zmniejsza erozję tlenową i utrzymuje środowisko o niskiej zawartości tlenu, sprzyjające równomiernej karbonizacji i grafityzacji.