Giấy cacbon—Vật liệu cốt lõi trong lĩnh vực năng lượng hydro

Khi quá trình chuyển đổi cơ cấu năng lượng toàn cầu tiếp tục diễn ra sâu sắc hơn, việc nghiên cứu các công nghệ năng lượng mới đã có những tiến bộ nhanh chóng.Năng lượng hydro—một giải pháp năng lượng sạch, hiệu quả và hầu như không phát thải carbon—giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính;do đó, nó hứa hẹn mang lại nhiều hứa hẹn cho cả quá trình chuyển đổi cơ cấu năng lượng và giảm thiểu biến đổi khí hậu.Được thúc đẩy bởi sự tiến bộ trong công nghệ sản xuất, lưu trữ và sử dụng hydro, chi phí năng lượng hydro đã giảm dần trong khi phạm vi ứng dụng của nó ngày càng mở rộng, khiến nó trở thành một thành phần không thể thiếu trong việc xây dựng một xã hội ít carbon.

Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) đại diện cho một trong những công nghệ cốt lõi để sử dụng hydro.Thông qua các phản ứng điện hóa, chúng chuyển đổi hydro và oxy thành năng lượng điện, nước và nhiệt.Toàn bộ quá trình này có hiệu suất cao và hầu như không tạo ra khí thải gây ô nhiễm, khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng—từ nguồn điện di động đến các nhà máy điện cố định quy mô lớn. Lớp khuếch tán khí (GDL) là một thành phần quan trọng trong PEMFC;nó không chỉ tạo điều kiện cho sự phân bố đồng đều của các khí phản ứng trên bề mặt điện cực mà còn chịu trách nhiệm đẩy nước được tạo ra và dẫn điện và nhiệt.GDL thường bao gồm chất nền xốp, dẫn điện và lớp vi xốp.Do tính dẫn điện đặc biệt, cấu trúc lỗ đồng nhất và tính chất cơ học mạnh mẽ, giấy sợi carbon (sau đây gọi là "giấy carbon") đã nổi lên như một vật liệu nền được ưa thích cho GDL.

Giấy sợi carbon (hoặc "giấy carbon") là vật liệu tổng hợp giống như giấy được sản xuất bằng quy trình sản xuất giấy;nó được sản xuất từ sợi carbon cắt nhỏ,sử dụng bột giấy tự nhiên hoặc tổng hợp làm chất nền và được bổ sung chất kết dính và chất độn.Giấy cacbon đóng vai trò là chất nền chính cho các lớp khuếch tán khí trong pin nhiên liệu.Quá trình chuyển đổi sợi carbon thành giấy carbon tạo thành một trong những thách thức kỹ thuật cốt lõi trong sản xuất GDL, vì vật liệu thu được phải đáp ứng vô số yêu cầu về hiệu suất: độ xốp có thể kiểm soát, độ dẫn nhiệt và điện tuyệt vời, đủ độ bền cơ học, tính kỵ nước mạnh và khả năng chống ăn mòn cao.

Tuy nhiên, thị trường giấy carbon trong nước vẫn chủ yếu do một số công ty nước ngoài độc quyền.Sản xuất trong nước phụ thuộc nhiều vào khâu gia công thứ cấp từ nguyên liệu nhập khẩu;do đó, cả giá cả và khối lượng sản xuất đều bị hạn chế đáng kể bởi nguồn nguyên liệu thô sẵn có, dẫn đến tỷ lệ chi phí/hiệu suất thấp.Năng lực sản xuất trong nước hạn chế không đủ để đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng tăng từ ngành công nghiệp pin nhiên liệu của nước tôi, do đó - ở một mức độ nhất định - cản trở sự phát triển độc lập và bản địa của ngành năng lượng hydro và pin nhiên liệu của quốc gia.

01 Quy Trình Sản Xuất

Về quy trình sản xuất giấy than, có sự khác biệt giữa phương pháp ướt và phương pháp khô.Phương pháp ướt được coi là một công nghệ trưởng thành và các nhà sản xuất như Toray và SGL Carbon sử dụng rộng rãi phương pháp này.Giấy than được sản xuất bằng phương pháp ướt thể hiện tính đồng nhất tuyệt vời và cấu trúc dày đặc;do đó, đây là phương pháp được áp dụng rộng rãi để sản xuất giấy cacbon hiệu suất cao cho pin nhiên liệu trên phạm vi quốc tế.Ngược lại, phương pháp khô để sản xuất giấy than là một công nghệ phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây.Trong phương pháp này, không khí đóng vai trò là môi trường;sợi carbon cắt nhỏ được xử lý thành tấm nền bằng kỹ thuật tạo lưới bằng không khí, sau đó là các bước xử lý tiếp theo như bôi chất kết dính, sấy khô và cacbon hóa.Đặc điểm chính của giấy carbon được sản xuất bằng phương pháp này là hàm lượng sợi carbon cao và độ bền sản phẩm vượt trội.

1. Tạo hình khô để sản xuất giấy sợi carbon

Tạo hình khô là một công nghệ sản xuất giấy đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây.Quá trình bắt đầu bằng việc mở và phân tánsợi carbon cắt nhỏthành từng sợi riêng biệt đồng nhất.Sử dụng không khí làm môi trường, những sợi này sau đó nhanh chóng được tạo thành mạng thông qua kỹ thuật rải không khí để tạo ra tấm nền.Tấm đế này sau đó trải qua quá trình ứng dụng chất kết dính, xử lý bằng ép nóng và cacbon hóa/graphit hóa để tạo ra giấy sợi carbon cuối cùng.Trong quá trình tạo hình trải khô, các sợi carbon cắt nhỏ thường có chiều dài từ 40 đến 50 mm.Giấy sợi carbon thu được có hàm lượng sợi carbon cao, độ bền sản phẩm cao và độ dẫn điện cao.Tuy nhiên, do chiều dài tương đối dài của sợi carbon nên chúng có xu hướng phân tán kém – thường bị rối hoặc thắt nút lại với nhau.Hơn nữa, sự chồng chéo rộng rãi giữa các sợi làm tăng hiệu ứng “bắc cầu”, dẫn đến sự hình thành các cấu trúc lỗ rỗng lớn;do đó, giấy sợi carbon thu được có xu hướng thể hiện tính đồng nhất tương đối kém và cấu trúc lỏng lẻo.

2. Tạo hình ướt để sản xuất giấy sợi carbon

Hiện tại, quy trình tạo hình ướt được coi là phương pháp sản xuất được nghiên cứu rộng rãi và áp dụng rộng rãi nhất — cả trong nước và quốc tế — để sản xuất giấy sợi carbon hiệu suất cao nhằm sử dụng trong Pin nhiên liệu màng trao đổi Proton (PEMFC).Trong quá trình này, nước đóng vai trò trung gian;sợi carbon cắt nhỏ có độ dài khác nhau (thường từ 3 đến 20 mm) được phân tán đồng đều trong nước.Sau đó, một máy làm giấy được sử dụng để lọc chân không nhanh chóng huyền phù này trên một màn lưới, từ đó tạo thành tấm đế bằng sợi carbon.Tấm đế này sau đó trải qua một loạt các bước xử lý hậu kỳ—bao gồm ngâm tẩm nhựa, xử lý bằng ép nóng và cacbon hóa/graphit hóa—để tạo ra sản phẩm giấy sợi carbon cuối cùng.So với các phương pháp tạo hình khô, giấy sợi carbon được sản xuất bằng phương pháp tạo hình ướt thể hiện mật độ và tính đồng nhất vượt trội, khiến nó rất phù hợp để xử lý thành giấy sợi carbon được thiết kế đặc biệt cho PEMFC.Do đó, cuộc thảo luận tiếp theo sẽ tập trung chủ yếu vào việc cung cấp một cái nhìn tổng quan chi tiết về quá trình tạo hình ướt.Hơn nữa, các chỉ số hiệu suất của giấy sợi carbon được sản xuất cả trong nước và quốc tế thường được so sánh với dòng "TGPH"—dòng giấy sợi carbon dành riêng cho PEMFC do Toray Industries (Nhật Bản) sản xuất.

02 Thử thách kỹ thuật

Trong quá trình sản xuất giấy than liên tục, các nhà sản xuất phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật liên quan đến kỹ thuật.Đảm bảo tính liên tục của quy trình và nâng cao tính đồng nhất và ổn định của chất lượng sản phẩm là những lĩnh vực trọng tâm chính trong quá trình sản xuất hàng loạt.Hiện tại, việc đạt được sản xuất giấy carbon quy mô lớn ở Trung Quốc vẫn còn nhiều thách thức, chủ yếu là do những hạn chế do các kỹ thuật xử lý phức tạp gây ra, chẳng hạn như than chì hóa và xử lý sau sợi carbon, cũng như các vấn đề liên quan đến thiết bị sản xuất.

1. Điều phối quy trình trong sản xuất liên tục dạng cuộn

Một số nhà sản xuất giấy than hiện bị giới hạn chỉ sản xuất các sản phẩm giấy than dạng tấm;quy trình sản xuất của họ hoạt động theo chế độ hàng loạt, gây khó khăn cho việc đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định.Quy trình sản xuất cuộn này là phương pháp chính để sản xuất giấy than liên tục;nó có thể được phân loại thành ba giai đoạn: phân tán và hình thành mạng lưới, ngâm tẩm nhựa và ép nóng, cacbon hóa và than chì hóa.Trong giai đoạn phân tán và hình thành mạng, sự phân tán đồng đều của sợi carbon và sự hình thành tiếp theo của chúng thành mạng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính liên tục của quá trình sản xuất.Càng mất nhiều thời gian để đạt được sự phân tán đồng đều của sợi carbon thô thì thiết bị tiền xử lý liên quan càng có xu hướng phức tạp hơn;ngược lại, thời gian phân tán càng ngắn thì thiết bị càng nhỏ gọn.Hơn nữa, do màng giấy cacbon ướt thiếu độ bền liên kết vốn có và dễ bị rách dưới áp lực cơ học không đồng đều, nên các liên kết vận hành khác nhau—bao gồm sự phân tán sợi, hình thành màng, tốc độ vận chuyển màng và cuộn giấy cacbon—phải được phối hợp và đồng bộ hóa chính xác để đảm bảo sự hình thành liên tục của màng giấy cacbon.Trong giai đoạn ngâm tẩm nhựa và ép nóng, hoạt động phối hợp của các quy trình như kiểm soát định lượng lượng nhựa hấp thụ, sấy khô, ép nóng liên tục và cuộn dây là rất cần thiết để đảm bảo tính liên tục của quy trình.Nếu tốc độ ngâm tẩm vượt quá tốc độ đóng rắn ép nóng, màng giấy cacbon có thể hấp thụ một lượng nhựa không đủ, dẫn đến độ bám dính kém giữa các sợi và nền nhựa.Ngược lại, nếu tốc độ ngâm tẩm quá cao, giấy than có thể trở nên quá bão hòa với nhựa, có khả năng cản trở dòng chảy và phân phối hoàn toàn của nhựa trong giai đoạn ép nóng và đóng rắn.Cuối cùng, trong giai đoạn cacbon hóa hoặc than chì hóa ở nhiệt độ cao, sự đồng bộ giữa tốc độ vận chuyển của giấy cacbon và thời gian dừng của nó trong các vùng nhiệt độ khác nhau của lò nhiệt độ cao là yếu tố chính để đảm bảo hoạt động liên tục.

2. Kiểm soát tính đồng nhất về chất lượng sản phẩm

Tính đồng nhất về chất lượng giữa các lô kém là một trong những yếu tố chính hiện đang cản trở việc thay thế giấy than nhập khẩu trong nước.Những khác biệt đáng kể về đặc tính—dù là giữa các vị trí khác nhau trong cùng một lô sản xuất hay giữa các lô sản xuất khác nhau—có thể gây ra những khó khăn đáng kể cho người dùng tiếp theo.Ví dụ, độ dày không nhất quán dẫn đến sai lệch đáng kể về mật độ thể tích trong quá trình lắp ráp các ngăn pin nhiên liệu, do đó ảnh hưởng đến các đặc tính điện cực quan trọng như phân phối nước và độ thấm khí.Điện trở suất không nhất quán làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cấu trúc của mạng dẫn điện trong lớp khuếch tán khí, do đó làm suy yếu tính đồng nhất của phân bố mật độ dòng điện.Hơn nữa, các đặc tính cơ học không nhất quán dẫn đến sự thay đổi đáng kể về độ bền kéo và độ uốn của các tờ giấy cacbon khác nhau, khiến các điện cực dễ bị hư hỏng trong quá trình lắp ráp ngăn xếp.Vấn đề về tính đồng nhất chất lượng kém thường gặp phải trong quá trình sản xuất hàng loạt giấy carbon về cơ bản bắt nguồn từ cấu trúc mạng lưới carbon không đồng nhất và không ổn định xuất hiện sau quá trình cacbon hóa cấu trúc hỗn hợp sợi carbon-nhựa.Nguyên nhân sâu xa có thể bao gồm việc điều chỉnh các thông số quy trình bị trì hoãn để ứng phó với sự biến động của đặc tính nguyên liệu thô, kiểm soát không ổn định nồng độ chất phân tán trong dung dịch và sự thay đổi nồng độ của dung dịch nhựa-etanol.

3. Đột phá kỹ thuật cho thiết bị cốt lõi

Thiết bị tạo hình là cốt lõi công nghệ của tất cả các nhà sản xuất giấy cacbon.Hiện tại, các nhà nghiên cứu chủ yếu dựa vào kinh nghiệm thu được từ thiết bị tạo hình giấy để tối ưu hóa và tinh chỉnh các hệ thống này;tuy nhiên, liệu những điều chỉnh này có mang lại kết quả tạo hình tối ưu hay không vẫn còn phải được xác nhận thông qua thực hành sản xuất thực tế.Hơn nữa, cần phải nghiên cứu và phát triển chuyên sâu hơn nữa để giải quyết những thách thức cụ thể liên quan đến việc hình thành giấy cacbon một lớp, trọng lượng cơ bản cao cho các kịch bản ứng dụng chuyên biệt.

Thiết bị tẩm nhựa là một thành phần quan trọng khác trong quá trình sản xuất giấy than liên tục.Các hệ thống tẩm hiện nay phần lớn thích ứng với các công nghệ phủ được phát triển trong các ngành công nghiệp như sản xuất giấy;tuy nhiên, thách thức kỹ thuật cơ bản trong bối cảnh giấy than nằm ở việc đạt được sự ngâm tẩm nhựa chính xác, định lượng—đặc biệt là đảm bảo cả mức tải nhựa đồng đều và sự phân bố đồng nhất trên toàn bộ vật liệu.Trong môi trường phòng thí nghiệm, giấy than tẩm nhựa thường được xử lý bằng cách ép nóng bằng thiết bị như máy lưu hóa giường phẳng.Tuy nhiên, việc mở rộng quy trình này lên đến sản xuất hàng loạt liên tục gặp nhiều khó khăn đáng kể.Do đó, các nhà sản xuất đã khám phá việc áp dụng kỹ thuật ép cuộn nóng được sử dụng trong ngành sản xuất giấy;Tuy nhiên, cách tiếp cận này tiềm ẩn rủi ro cố hữu là đường tiếp xúc giữa hai con lăn có thể làm rách giấy than.Kết quả là, sự chú ý đã chuyển sang các công nghệ thay thế—chẳng hạn như máy ép nóng bàn phẳng theo bậc được lập trình và máy ép nóng đai thép đôi—với công nghệ sau cung cấp mức độ chính xác điều khiển đặc biệt cao.

Cuối cùng, việc chế tạo thiết bị cacbon hóa và than chì hóa liên tục là thách thức lớn nhất.Thiết bị như vậy cho phép xử lý nhiệt liên tục giấy cacbon, nhờ đó đảm bảo tính ổn định về hiệu suất và chất lượng của giấy.Biên dạng chiều dài và nhiệt độ của các hệ thống cacbon hóa liên tục này được xác định dựa trên nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm độ bền kéo của giấy than, yêu cầu về độ căng và độ võng cho phép.Bằng cách kiểm soát chính xác quá trình gia nhiệt, các nhà sản xuất có thể đảm bảo rằng giấy cacbon đạt được các thông số hiệu suất mục tiêu trong giai đoạn cacbon hóa.Trong quá trình cacbon hóa và than chì hóa liên tục, hệ thống bảo vệ rèm khí đóng vai trò là thành phần quan trọng để đảm bảo chất lượng của giấy than.Bằng cách đặt các đệm khí hoặc thiết bị rèm khí ở cả hai đầu lò, nó cách ly hiệu quả bên trong lò với không khí xung quanh, từ đó giảm thiểu sự ăn mòn do oxy gây ra đối với cả buồng lò và giấy than.Điều này duy trì môi trường làm việc có hàm lượng oxy thấp trong lò, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình cacbon hóa và than chì hóa đồng đều của giấy than.