Giấy sợi carbon cho pin nhiên liệu và lớp khuếch tán khí (GDL)

Giấy sợi carbon là vật liệu tổng hợp giống như giấy được làm từ sợi carbon cắt nhỏ làm nguyên liệu thô, với bột giấy tự nhiên hoặc tổng hợp làm nền và được bổ sung chất kết dính và chất độn thông qua quy trình sản xuất giấy. Giấy cacbon là chất nền chính của lớp khuếch tán khí trong pin nhiên liệu. Quá trình biến sợi carbon thành giấy carbon là một trong những thách thức cốt lõi trong sản xuất lớp khuếch tán khí, đòi hỏi vật liệu phải đáp ứng nhiều yêu cầu về hiệu suất, bao gồm 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.

1. Quy trình sản xuất

Quy trình sản xuất giấy carbon được chia thành quy trình ướt và khô. Quá trình ướt là một công nghệ hoàn thiện được sử dụng bởi các nhà sản xuất nhưTorayVàSGL Cacbon. Giấy carbon được điều chế bằng quy trình ướt có độ đồng đều tốt và cấu trúc dày đặc, là phương pháp thường được sử dụng cho giấy carbon hiệu suất cao trong pin nhiên liệu ở nước ngoài.

Quá trình khô để chuẩn bị giấy than là một công nghệ phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Phương pháp này sử dụng không khí làm môi trường, sử dụng quy trình tạo lưới luồng không khí để xử lý giấy thành giấy nền, sau đó là các quy trình tiếp theo như hồ, sấy khô và cacbon hóa. Đặc điểm chính của giấy carbon là hàm lượng sợi carbon cao và độ bền sản phẩm cao.

1. Quy trình tạo hình khô để chuẩn bị giấy sợi carbon

Tạo hình khô là một công nghệ sản xuất giấy đang phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Đầu tiên, các sợi carbon cắt ngắn được mở ra và phân tán thành các sợi đơn đồng nhất. Sau đó, sử dụng không khí làm phương tiện, một mạng lưới nhanh chóng được hình thành để tạo ra lớp giấy nền. Tiếp theo là liên kết bằng chất kết dính, ép nóng, xử lý, cacbon hóa và than chì hóa để sản xuất giấy sợi carbon.

Sợi carbon cắt ngắn được sử dụng trong quá trình tạo hình khô thường có chiều dài 40-50 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 sợi dài hơn nên sợi khó phân tán, dễ vướng và thắt nút. Sự chồng chéo giữa các sợi carbon cũng giúp tăng cường hiệu ứng "bắc cầu", tạo thành cấu trúc lỗ rỗng lớn, dẫn đến độ đồng đều tương đối kém và cấu trúc lỏng lẻo trong giấy sợi carbon.

2. Quy trình tạo hình ướt cho giấy sợi carbon

Hiện nay, quy trình chuẩn bị giấy sợi carbon hiệu suất cao cho PEMFC được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi nhất, cả trong nước và quốc tế, là quy trình tạo hình ướt. Quá trình này sử dụng nước làm môi trường, phân tán đồng đều các sợi carbon cắt ngắn (3-20 mm) có độ dài khác nhau trong nước.

Giấy nền sợi carbon sau đó được lọc chân không nhanh chóng trên màn hình lọc bằng máy giấy. Các quy trình tiếp theo bao gồm ngâm tẩm nhựa, xử lý bằng ép nóng và cacbon hóa/graphit hóa để tạo ra sản phẩm cuối cùng.

So với tạo hình khô, tạo hình ướt tạo ra giấy sợi carbon có mật độ và độ đồng đều tuyệt vời, khiến nó rất phù hợp để xử lý thành giấy sợi carbon đặc trưng PEMFC.

Hơn nữa, các chỉ số hiệu suất của giấy sợi carbon được sản xuất trong nước và quốc tế thường được tham chiếu đến dòng giấy sợi carbon dành riêng cho PEMFC "TGPH" do Toray Industries, Inc. của Nhật Bản sản xuất.

2. Những thách thức kỹ thuật

Việc sản xuất giấy than liên tục phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Đảm bảo sản xuất liên tục và cải thiện tính đồng nhất và ổn định của chất lượng sản phẩm là những mối quan tâm chính trong quá trình sản xuất hàng loạt.

Hiện nay, việc sản xuất giấy carbon hàng loạt trên quy mô lớn đang gặp khó khăn ở Trung Quốc, chủ yếu là do các quy trình và thiết bị phức tạp liên quan đến quá trình grafit hóa và xử lý sau sợi carbon.

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

Một số nhà sản xuất giấy carbon chỉ có thể sản xuất các sản phẩm giấy carbon dạng tấm, với quy trình sản xuất không liên tục nên khó đảm bảo tính đồng nhất về chất lượng sản phẩm.

Sản xuất cuộn là một phương pháp quan trọng để sản xuất giấy cacbon liên tục, có thể được chia thành hình thành phân tán, ngâm tẩm nhựa và ép nóng, cacbon hóa và than chì hóa.

Trong giai đoạn hình thành phân tán, sự phân tán đồng đều của sợi carbon và hình thành mạng lưới là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sản xuất giấy carbon liên tục.

Vì phôi giấy than ướt không có lực dính nên dễ bị rách khi chịu lực không đồng đều. Do đó, các giai đoạn khác nhau như phân tán sợi, tạo hình màng, tốc độ phôi giấy cacbon và cuộn giấy cacbon cần được phối hợp và đồng bộ để đảm bảo quá trình tạo hình giấy cacbon liên tục.

Trong giai đoạn ngâm tẩm nhựa và ép nóng, hoạt động phối hợp bao gồm kiểm soát số lượng ngâm tẩm nhựa, sấy giấy than, ép nóng liên tục và cuộn giấy than là rất quan trọng.

Trong giai đoạn cacbon hóa hoặc than chì hóa ở nhiệt độ cao, sự phối hợp giữa tốc độ di chuyển của giấy than và thời gian lưu trong các phạm vi nhiệt độ khác nhau trong lò nhiệt độ cao là chìa khóa để hoạt động liên tục.

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

Tính đồng nhất về chất lượng lô kém là một trong những yếu tố chính hạn chế tình trạng thiếu nguồn thay thế giấy than trong nước hiện nay.

Độ dày không nhất quán dẫn đến sai lệch về mật độ khối trong quá trình lắp ráp ngăn xếp sợi carbon, ảnh hưởng đến sự phân phối nước và tính thấm của điện cực.

Điện trở suất không nhất quán làm suy giảm cấu trúc mạng dẫn điện của lớp khuếch tán, ảnh hưởng đến tính đồng nhất của mật độ dòng điện.

Các đặc tính cơ học không nhất quán dẫn đến sự thay đổi độ bền kéo và độ uốn, có khả năng dẫn đến đứt điện cực trong quá trình xếp chồng.

Vấn đề đồng nhất chất lượng kém trong sản xuất hàng loạt giấy carbon về cơ bản là do cấu trúc mạng lưới carbon không đồng nhất và không ổn định sau khi cacbon hóa cấu trúc hỗn hợp sợi carbon-nhựa.

3. Đột phá kỹ thuật cho thiết bị cốt lõi

Thiết bị tạo hình là công nghệ cốt lõi của các nhà sản xuất giấy cacbon. Cần nghiên cứu sâu hơn để đáp ứng các yêu cầu tạo thành giấy cacbon trọng lượng cao một lớp cho các ứng dụng cụ thể.

Thiết bị tẩm nhựa cũng rất quan trọng trong quá trình sản xuất giấy than liên tục. Một thách thức chính nằm ở việc ngâm tẩm nhựa theo định lượng để đảm bảo tải nhựa đồng đều và đồng đều.

Việc ép nóng và xử lý liên tục trở nên khó khăn hơn trong sản xuất hàng loạt. Vì vậy, máy ép nóng phẳng dạng bước và máy ép nóng đai đôi được lập trình đã thu hút được sự chú ý.

Máy ép nóng đai đôi của nước ngoài cho độ chính xác điều khiển cao hơn, trong khi thiết bị trong nước vẫn tụt hậu.

Cuối cùng, thiết bị cacbon hóa và than chì hóa liên tục là thách thức lớn nhất. Bằng cách kiểm soát chính xác quá trình gia nhiệt, giấy cacbon có thể đạt được các chỉ số hiệu suất lý tưởng.

Trong quá trình cacbon hóa và than chì hóa liên tục, hệ thống bảo vệ rèm không khí là rất quan trọng. Bằng cách lắp đặt các đệm khí hoặc thiết bị rèm khí ở cả hai đầu lò, nó cách ly không khí bên ngoài, giảm xói mòn oxy và duy trì môi trường ít oxy có lợi cho quá trình cacbon hóa và than chì hóa đồng đều.