Углеродная бумага — основной материал в секторе водородной энергетики

Поскольку трансформация глобальной энергетической структуры продолжает углубляться, исследования новых энергетических технологий стремительно развиваются.Водородная энергетика — экологически чистое, эффективное и практически не содержащее выбросов углерода энергетическое решение — помогает снизить зависимость от ископаемого топлива и снизить выбросы парниковых газов;следовательно, это открывает огромные перспективы как для структурных преобразований в энергетике, так и для смягчения последствий изменения климата.Благодаря прогрессу в технологиях производства, хранения и использования водорода стоимость водородной энергетики постепенно снижается, а сфера ее применения расширяется, что делает ее незаменимым компонентом в построении низкоуглеродного общества.

Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC) представляют собой одну из основных технологий утилизации водорода.Посредством электрохимических реакций они преобразуют водород и кислород в электрическую энергию, воду и тепло.Весь этот процесс очень эффективен и практически не генерирует выбросов загрязняющих веществ, что делает его пригодным для широкого спектра применений — от портативных источников энергии до крупномасштабных стационарных электростанций. Газодиффузионный слой (GDL) является критическим компонентом PEMFC;он не только способствует равномерному распределению газов-реагентов по поверхности электрода, но также отвечает за удаление образовавшейся воды и проведение электронов и тепла.GDL обычно состоит из пористой проводящей базовой подложки и микропористого слоя.Благодаря своей исключительной электропроводности, однородной пористой структуре и прочным механическим свойствам бумага из углеродного волокна (далее называемая «углеродная бумага») стала предпочтительным материалом подложки для ГДЛ.

Бумага из углеродного волокна (или «углеродная бумага») — это похожий на бумагу композитный материал, изготовленный с использованием процесса изготовления бумаги;он производится из измельченные углеродные волокна,с использованием натуральной или синтетической целлюлозы в качестве матрицы и с добавлением связующих веществ и наполнителей.Углеродная бумага служит основной подложкой для газодиффузионных слоев в топливных элементах.Процесс преобразования углеродных волокон в копировальную бумагу представляет собой одну из основных технических задач в производстве ГДЛ, поскольку полученный материал должен удовлетворять множеству эксплуатационных требований: контролируемая пористость, отличная тепло- и электропроводность, достаточная механическая прочность, сильная гидрофобность и высокая коррозионная стойкость.

Однако внутренний рынок копировальной бумаги по-прежнему в значительной степени монополизирован горсткой иностранных компаний.Внутреннее производство в значительной степени зависит от вторичной переработки импортного сырья;следовательно, как ценообразование, так и объем производства существенно ограничиваются доступностью сырья, что приводит к низкому соотношению затрат и производительности.Ограниченные внутренние производственные мощности недостаточны для удовлетворения растущего рыночного спроса со стороны индустрии топливных элементов моей страны, тем самым – в определенной степени – препятствуя независимому и местному развитию национального сектора водородной энергетики и топливных элементов.

01 Производственный процесс

Что касается процессов производства копировальной бумаги, различают мокрый метод и сухой метод.Мокрый метод считается зрелой технологией, и такие производители, как Toray и SGL Carbon, широко используют этот подход.Копировальная бумага, изготовленная мокрым способом, отличается превосходной однородностью и плотной структурой;следовательно, это общепринятый метод производства высокоэффективной копировальной бумаги для топливных элементов во всем мире.Сухой метод производства копировальной бумаги, наоборот, представляет собой технологию, быстро развивающуюся в последние годы.В этом методе средой служит воздух;рубленые углеродные волокна перерабатываются в базовый лист с использованием технологии формирования полотна с воздушной укладкой, за которой следуют последующие этапы обработки, такие как нанесение связующего, сушка и карбонизация.Ключевыми характеристиками копировальной бумаги, производимой этим методом, являются высокое содержание углеродного волокна и превосходная прочность продукта.

1. Сухая формовка для производства бумаги из углеродного волокна.

Формование сухой укладки — это технология производства бумаги, которая в последние годы получила быстрое развитие.Процесс начинается с открытия и диспергированияизмельченные углеродные волокнана однородные отдельные пряди.Используя воздух в качестве среды, эти волокна затем быстро формируют полотно с помощью технологии укладки на воздухе для получения основного листа.Этот базовый лист впоследствии подвергается нанесению связующего, отверждению при горячем прессовании и карбонизации/графитизации с получением конечной бумаги из углеродного волокна.В процессе формования сухой укладки длина рубленых углеродных волокон обычно составляет от 40 до 50 мм.Полученная бумага из углеродного волокна отличается высоким содержанием углеродного волокна, высокой прочностью продукта и высокой электропроводностью.Однако из-за относительно большой длины углеродных волокон они склонны к плохой дисперсии — часто запутываются или завязываются вместе.Более того, обширное перекрытие между волокнами усиливает эффект «мостика», приводя к образованию крупных пористых структур;следовательно, полученная бумага из углеродного волокна имеет тенденцию проявлять относительно плохую однородность и рыхлую структуру.

2. Мокрое формование для производства бумаги из углеродного волокна.

В настоящее время процесс мокрого формования является наиболее широко исследованным и широко применяемым методом производства — как внутри страны, так и за рубежом — для производства высокоэффективной бумаги из углеродного волокна, предназначенной для использования в топливных элементах с протонообменной мембраной (PEMFC).В этом процессе вода служит средой;измельченные углеродные волокна различной длины (обычно от 3 до 20 мм) равномерно распределены в воде.Затем используется бумагоделательная машина для быстрой вакуумной фильтрации этой суспензии на проволочном сите, образуя таким образом базовый лист из углеродного волокна.Этот базовый лист впоследствии подвергается ряду стадий последующей обработки, включая пропитку смолой, отверждение горячим прессованием и карбонизацию/графитизацию, для получения конечного продукта из углеродного волокна.По сравнению с методами сухого формования бумага из углеродного волокна, произведенная методом мокрого формования, демонстрирует превосходную плотность и однородность, что делает ее очень подходящей для переработки в бумагу из углеродного волокна, специально разработанную для PEMFC.Следовательно, последующее обсуждение будет сосредоточено в первую очередь на подробном обзоре процесса мокрого формования.Кроме того, показатели производительности бумаги из углеродного волокна, производимой как внутри страны, так и за рубежом, обычно сравниваются с серией «TGPH» — линейкой бумаги из углеродного волокна, специально предназначенной для PEMFC, производимой Toray Industries (Япония).

02 Технические проблемы

В ходе непрерывного производства копировальной бумаги производители сталкиваются с множеством инженерно-технических проблем.Обеспечение непрерывности процесса и повышение однородности и стабильности качества продукции являются основными направлениями внимания при массовом производстве.В настоящее время достижение крупномасштабного массового производства копировальной бумаги в Китае остается сложной задачей, в первую очередь из-за ограничений, налагаемых сложными технологиями обработки, такими как графитация и последующая обработка углеродного волокна, а также проблемами, связанными с производственным оборудованием.

1. Координация процессов в непрерывном производстве от рулона к рулону

Некоторые производители копировальной бумаги в настоящее время ограничиваются производством только листовой копировальной бумаги;их производственные процессы работают в периодическом режиме, что затрудняет обеспечение стабильного качества продукции.Процесс производства рулонной бумаги является основным методом непрерывного производства копировальной бумаги;его можно условно разделить на три стадии: диспергирование и формирование полотна, пропитка смолой и горячее прессование, а также карбонизация и графитизация.На этапе диспергирования и формирования полотна равномерное диспергирование углеродных волокон и их последующее формирование полотна являются решающими факторами, влияющими на непрерывность производства.Чем больше времени требуется для достижения равномерного диспергирования необработанных углеродных волокон, тем сложнее становится соответствующее оборудование для предварительной обработки;и наоборот, чем короче время диспергирования, тем компактнее может быть оборудование.Кроме того, поскольку влажное полотно копировальной бумаги не обладает присущей ему прочностью соединения и склонно к разрыву при неравномерном механическом воздействии, различные рабочие звенья, включая дисперсию волокон, формирование полотна, скорость транспортировки полотна и намотку копировальной бумаги, должны быть точно скоординированы и синхронизированы, чтобы обеспечить непрерывное формирование полотна копировальной бумаги.На этапе пропитки смолой и горячего прессования скоординированная работа таких процессов, как количественный контроль поглощения смолы, сушка, непрерывное горячее прессование и намотка, имеет важное значение для обеспечения непрерывности процесса.Если скорость пропитки превышает скорость отверждения при горячем прессовании, полотно копировальной бумаги может поглотить недостаточное количество смолы, что приводит к плохой адгезии между волокнами и матрицей смолы.И наоборот, если скорость пропитки слишком высока, копировальная бумага может перенасыщаться смолой, что потенциально препятствует полному растеканию и распределению смолы во время фазы горячего прессования и отверждения.Наконец, на этапе высокотемпературной карбонизации или графитизации синхронизация между скоростью транспортировки копировальной бумаги и временем ее пребывания в различных температурных зонах высокотемпературной печи является ключевым фактором для обеспечения непрерывной работы.

2. Контроль однородности качества продукции.

Низкая однородность качества от партии к партии является одним из основных факторов, которые в настоящее время препятствуют внутреннему замещению импортной копировальной бумаги.Значительные различия в свойствах — будь то между разными местами одной и той же производственной партии или между разными производственными партиями — могут вызвать существенные трудности для последующих пользователей.Например, непостоянная толщина приводит к значительным отклонениям объемной плотности во время сборки стопок топливных элементов, тем самым влияя на критические свойства электродов, такие как распределение воды и газопроницаемость.Непостоянное электрическое сопротивление ставит под угрозу структурную целостность проводящей сети внутри газодиффузионного слоя, тем самым подрывая однородность распределения плотности тока.Кроме того, непостоянные механические свойства приводят к значительным различиям в прочности на растяжение и изгиб различных листов копировальной бумаги, что делает электроды подверженными повреждениям в процессе сборки пакета.Проблема однородности низкого качества, часто возникающая при массовом производстве копировальной бумаги, в основном связана с неоднородной и нестабильной структурой углеродной сетки, которая возникает после карбонизации композитной структуры углеродного волокна и смолы.Основные причины, вероятно, включают запоздалую корректировку параметров процесса в ответ на колебания свойств сырья, нестабильный контроль концентрации диспергаторов в растворе и изменения концентрации раствора смолы в этаноле.

3. Инжиниринговые прорывы в области основного оборудования

Формовочное оборудование составляет технологическое ядро ​​всех производителей копировальной бумаги.В настоящее время исследователи в первую очередь опираются на опыт, полученный при использовании формовочного оборудования для производства бумаги, для оптимизации и точной настройки этих систем;однако, дают ли эти корректировки оптимальные результаты формования, еще предстоит проверить на основе реальной производственной практики.Кроме того, необходимы дальнейшие интенсивные исследования и разработки для решения конкретных проблем, связанных с формированием однослойной копировальной бумаги с высокой плотностью для специализированных сценариев применения.

Оборудование для пропитки смолой является еще одним важным компонентом непрерывного производства копировальной бумаги.Современные системы пропитки во многом адаптируют технологии нанесения покрытий, разработанные в таких отраслях, как производство бумаги;однако основная техническая задача в контексте копировальной бумаги заключается в достижении точной и количественной пропитки смолой, в частности, обеспечении как равномерного уровня загрузки смолы, так и ее однородного распределения по материалу.В лабораторных условиях пропитанная смолой копировальная бумага обычно отверждается путем горячего прессования с использованием такого оборудования, как плоские вулканизаторы.Однако масштабирование этого процесса до непрерывного массового производства представляет значительные трудности.Следовательно, производители изучили возможность внедрения технологий прессования горячими валками, используемых в бумажной промышленности;тем не менее, этот подход несет в себе неизбежный риск того, что линейный контакт между двумя роликами потенциально может порвать копировальную бумагу.В результате внимание сместилось в сторону альтернативных технологий, таких как программируемые ступенчатые плоские горячие прессы и горячие прессы с двойной стальной лентой, причем последние обеспечивают особенно высокий уровень точности управления.

Наконец, наиболее серьезной проблемой является создание оборудования для непрерывной карбонизации и графитации.Такое оборудование позволяет осуществлять непрерывную термическую обработку копировальной бумаги, обеспечивая тем самым стабильность ее характеристик и качества.Профили длины и температуры этих систем непрерывной карбонизации определяются на основе различных факторов, включая прочность копировальной бумаги на разрыв, требования к натяжению и допустимое провисание.Точно контролируя процесс нагрева, производители могут гарантировать, что копировальная бумага достигнет целевых характеристик на этапе карбонизации.В процессе непрерывной карбонизации и графитизации система защиты от газовой завесы служит важнейшим компонентом для обеспечения качества копировальной бумаги.Размещая газовые уплотнения или устройства газовой завесы на обоих концах печи, можно эффективно изолировать внутреннюю часть печи от окружающего воздуха, тем самым сводя к минимуму кислородную коррозию как камеры печи, так и копировальной бумаги.Это поддерживает рабочую среду с низким содержанием кислорода внутри печи, тем самым способствуя равномерному карбонизации и графитизации копировальной бумаги.