Бумага из углеродного волокна для топливных элементов и газодиффузионного слоя (GDL)

Бумага из углеродного волокна представляет собой подобный бумаге композитный материал, изготовленный из измельченных углеродных волокон в качестве сырья, с натуральной или синтетической целлюлозой в качестве матрицы и дополненный связующими веществами и наполнителями в процессе производства бумаги. Углеродная бумага является основной подложкой газодиффузионного слоя в топливных элементах. Процесс превращения углеродных волокон в углеродную бумагу является одной из основных задач в производстве газодиффузионных слоев, требуя, чтобы материал отвечал множеству требований к характеристикам, включая контролируемую пористость, отличную тепло- и электропроводность, достаточную механическую прочность, сильную гидрофобность и высокую коррозионную стойкость.

1. Производственный процесс

Процессы производства копировальной бумаги делятся на мокрые и сухие процессы. Мокрый процесс — это зрелая технология, используемая такими производителями, какТорейиСГЛ Карбон. Копировальная бумага, полученная мокрым способом, имеет хорошую однородность и плотную структуру и является методом, обычно используемым для изготовления высокоэффективной копировальной бумаги в топливных элементах за рубежом.

Сухой процесс изготовления копировальной бумаги является быстро развивающейся технологией в последние годы. В этом методе в качестве среды используется воздух, при этом используется процесс формирования полотна с воздушным потоком для переработки бумаги в основу с последующими процессами, такими как калибровка, сушка и карбонизация. Ключевой особенностью копировальной бумаги является высокое содержание углеродного волокна и высокая прочность изделия.

1. Процесс сухого формования для изготовления бумаги из углеродного волокна.

Сухое формование является быстро развивающейся в последние годы технологией производства бумаги. Сначала коротко нарезанные углеродные волокна раскрываются и распределяются в однородные отдельные волокна. Затем, используя воздух в качестве среды, быстро формируют полотно для создания бумаги-основы. За этим следует склеивание клеем, горячее прессование, отверждение, карбонизация и графитизация для получения бумаги из углеродного волокна.

Укороченные углеродные волокна, используемые в процессе сухой формовки, обычно имеют длину 40-50 мм. Полученная бумага из углеродного волокна имеет высокое содержание углеродного волокна, высокую прочность продукта и высокую проводимость.

Однако из-за большей длины волокна трудно рассасываются, они легко запутываются и завязываются узлами. Перекрытие между углеродными волокнами также усиливает эффект «мостика», образуя структуру с крупными порами, что приводит к относительно плохой однородности и рыхлой структуре бумаги из углеродного волокна.

2. Процесс мокрого формования бумаги из углеродного волокна

В настоящее время наиболее изученным и широко применяемым процессом подготовки высокоэффективной бумаги из углеродного волокна для PEMFC как внутри страны, так и за рубежом является процесс мокрого формования. В этом процессе в качестве среды используется вода, равномерно распределяющая в воде короткие углеродные волокна (3–20 мм) различной длины.

Бумага-основа из углеродного волокна затем быстро фильтруется в вакууме на сетчатом фильтре с помощью бумагоделательной машины. Последующие процессы включают пропитку смолой, отверждение горячим прессованием и карбонизацию/графитизацию для получения конечного продукта.

По сравнению с сухим формованием, мокрое формование позволяет получить бумагу из углеродного волокна с превосходной плотностью и однородностью, что делает ее очень подходящей для переработки в бумагу из углеродного волокна, предназначенную для PEMFC.

Кроме того, показатели производительности бумаги из углеродного волокна, производимой внутри страны и за рубежом, обычно относятся к серии «TGPH» бумаги из углеродного волокна, специально предназначенной для PEMFC, производимой японской компанией Toray Industries, Inc.

2. Технические проблемы

Непрерывное производство копировальной бумаги сталкивается с многочисленными инженерными проблемами. Обеспечение непрерывности производства и повышение однородности и стабильности качества продукции являются ключевыми задачами при массовом производстве.

В настоящее время крупномасштабное массовое производство копировальной бумаги в Китае затруднено, в первую очередь из-за сложных процессов и оборудования, используемых для графитации и последующей обработки углеродного волокна.

1. Координация процессов в непрерывном производстве от рулона к рулону

Некоторые производители копировальной бумаги могут производить только листовую продукцию из копировальной бумаги, используя прерывистые производственные процессы, что затрудняет обеспечение однородности качества продукции.

Производство рулонной бумаги является важным методом непрерывного производства копировальной бумаги, который можно разделить на формование дисперсии, пропитку смолой и горячее прессование, а также карбонизацию и графитацию.

На этапе формирования дисперсии равномерная дисперсия углеродных волокон и формирование полотна являются важными факторами, влияющими на непрерывное производство углеродной бумаги.

Поскольку влажная заготовка копировальной бумаги не обладает силой сцепления, она склонна к разрыву при непостоянном напряжении. Поэтому различные этапы, такие как распределение волокон, формирование полотна, скорость заготовки копировальной бумаги и намотка копировальной бумаги, должны быть скоординированы и синхронизированы, чтобы обеспечить непрерывное формование копировальной бумаги.

На этапе пропитки смолой и горячего прессования решающее значение имеет скоординированная работа, включая контроль количества пропитки смолой, сушку копировальной бумаги, непрерывное горячее прессование и намотку копировальной бумаги.

На этапе высокотемпературной карбонизации или графитизации ключом к непрерывной работе является согласование скорости движения копировальной бумаги и времени пребывания в различных температурных диапазонах в высокотемпературной печи.

2. Контроль однородности качества продукции

Низкая однородность качества партий является одним из основных факторов, ограничивающих нынешнее отсутствие внутренней замены копировальной бумаги.

Непостоянная толщина приводит к отклонениям объемной плотности во время сборки пакета углеродного волокна, что влияет на распределение воды и проницаемость электродов.

Непостоянное удельное сопротивление ухудшает структуру проводящей сети диффузионного слоя, влияя на однородность плотности тока.

Непостоянные механические свойства приводят к изменениям прочности на растяжение и изгиб, что потенциально может привести к поломке электрода при штабелировании.

Проблема однородности низкого качества при массовом производстве копировальной бумаги по существу связана с неоднородной и нестабильной структурой углеродной сетки после карбонизации композитной структуры углеродное волокно-смола.

3. Инжиниринговые прорывы в области основного оборудования

Формовочное оборудование является основной технологией для производителей копировальной бумаги. Необходимы дальнейшие исследования для удовлетворения требований по формованию однослойной копировальной бумаги с высокой плотностью для конкретных применений.

Оборудование для пропитки смолой также имеет решающее значение в непрерывном производстве копировальной бумаги. Основная задача заключается в количественной пропитке смолы, чтобы обеспечить равномерную загрузку смолы.

Непрерывное горячее прессование и отверждение становятся более трудными при массовом производстве. Поэтому внимание привлекли планшетные горячие прессы ступенчатого типа с программным управлением и двухленточные горячие прессы.

Зарубежные двухленточные горячие прессы обеспечивают более высокую точность управления, тогда как отечественное оборудование по-прежнему отстает.

Наконец, наибольшую проблему представляет оборудование для непрерывной карбонизации и графитизации. Точно контролируя процесс нагрева, копировальная бумага позволяет добиться идеальных эксплуатационных показателей.

При непрерывной карбонизации и графитизации решающее значение имеет система защиты воздушной завесы. Путем установки газовых уплотнений или устройств воздушной завесы на обоих концах печи изолируется внешний воздух, снижается кислородная эрозия и поддерживается среда с низким содержанием кислорода, способствующая равномерному карбонизации и графитизации.