Papel carbono – um material essencial no setor de energia de hidrogênio

À medida que a transição da estrutura energética global continua a aprofundar-se, a investigação em novas tecnologias energéticas tem registado um rápido avanço.A energia do hidrogénio – uma solução energética limpa, eficiente e praticamente isenta de emissões de carbono – ajuda a reduzir a dependência de combustíveis fósseis e a reduzir as emissões de gases com efeito de estufa;consequentemente, é uma promessa imensa tanto para a transformação estrutural energética como para a mitigação das alterações climáticas.Impulsionado pelo progresso nas tecnologias de produção, armazenamento e utilização de hidrogénio, o custo da energia do hidrogénio diminuiu gradualmente enquanto o seu âmbito de aplicação se expandiu, tornando-a uma componente indispensável na construção de uma sociedade de baixo carbono.

As células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs) representam uma das principais tecnologias para a utilização de hidrogênio.Através de reações eletroquímicas, eles convertem hidrogênio e oxigênio em energia elétrica, água e calor.Todo esse processo é altamente eficiente e praticamente não gera emissões poluentes, tornando-o adequado para uma ampla gama de aplicações – desde fontes de energia portáteis até usinas de energia estacionárias de grande escala. A Camada de Difusão de Gás (GDL) é um componente crítico dentro de um PEMFC;não apenas facilita a distribuição uniforme dos gases reagentes através da superfície do eletrodo, mas também é responsável por expelir a água gerada e conduzir elétrons e calor.Um GDL normalmente consiste em um substrato de base condutor e poroso e uma camada microporosa.Devido à sua excepcional condutividade elétrica, estrutura de poros uniforme e propriedades mecânicas robustas, o papel de fibra de carbono (doravante denominado "papel carbono") emergiu como o material de substrato preferido para GDLs.

O papel de fibra de carbono (ou "papel carbono") é um material compósito semelhante ao papel fabricado usando um processo de fabricação de papel;é produzido a partir fibras de carbono picadas,utilizando polpa natural ou sintética como matriz e complementada com ligantes e cargas.O papel carbono serve como substrato primário para as camadas de difusão de gás nas células de combustível.O processo de conversão de fibras de carbono em papel carbono constitui um dos principais desafios técnicos na fabricação de GDL, pois o material resultante deve satisfazer uma infinidade de requisitos de desempenho: porosidade controlável, excelente condutividade térmica e elétrica, resistência mecânica suficiente, forte hidrofobicidade e alta resistência à corrosão.

No entanto, o mercado interno de papel carbono continua em grande parte monopolizado por um punhado de empresas estrangeiras.A produção nacional depende fortemente do processamento secundário de matérias-primas importadas;consequentemente, tanto os preços como o volume de produção são significativamente limitados pela disponibilidade de matéria-prima, resultando numa baixa relação custo-desempenho.A limitada capacidade de produção interna é insuficiente para satisfazer a crescente procura de mercado da indústria de células de combustível do meu país, dificultando assim - até certo ponto - o desenvolvimento independente e autóctone dos sectores de energia de hidrogénio e de células de combustível do país.

01 Processo de Produção

Em relação aos processos de produção de papel carbono, é feita uma distinção entre o método úmido e o método seco.O método úmido é considerado uma tecnologia madura e fabricantes como Toray e SGL Carbon empregam amplamente essa abordagem.O papel carbono produzido pelo método úmido apresenta excelente uniformidade e estrutura densa;conseqüentemente, é o método universalmente adotado para a fabricação de papel carbono de alto desempenho para células de combustível internacionalmente.O método seco para produção de papel carbono, por outro lado, é uma tecnologia que se desenvolveu rapidamente nos últimos anos.Neste método, o ar serve como meio;as fibras de carbono picadas são processadas em uma folha base usando uma técnica de formação de teia colocada a ar, seguida por etapas de processamento subsequentes, como aplicação de aglutinante, secagem e carbonização.As principais características do papel carbono produzido por meio deste método são o alto teor de fibra de carbono e a resistência superior do produto.

1. Conformação a seco para produção de papel de fibra de carbono

A formação a seco é uma tecnologia de fabricação de papel que teve rápido desenvolvimento nos últimos anos.O processo começa abrindo e dispersandofibras de carbono picadasem fios individuais uniformes.Usando o ar como meio, essas fibras são então rapidamente transformadas em uma teia por meio de uma técnica de assentamento de ar para produzir uma folha de base.Esta folha base passa posteriormente pela aplicação de ligante, cura por prensagem a quente e carbonização/grafitização para produzir o papel final de fibra de carbono.Durante o processo de formação a seco, as fibras de carbono cortadas variam tipicamente em comprimento de 40 a 50 mm.O papel de fibra de carbono resultante apresenta alto teor de fibra de carbono, alta resistência do produto e alta condutividade elétrica.No entanto, devido ao comprimento relativamente longo das fibras de carbono, elas são propensas a uma má dispersão – muitas vezes emaranhadas ou amarradas.Além disso, a extensa sobreposição entre as fibras intensifica o efeito de “ponte”, levando à formação de grandes estruturas de poros;consequentemente, o papel de fibra de carbono resultante tende a apresentar uma uniformidade relativamente fraca e uma estrutura solta.

2. Conformação úmida para produção de papel de fibra de carbono

Atualmente, o processo de formação úmida se destaca como o método de produção mais pesquisado e amplamente aplicado – tanto nacional quanto internacionalmente – para a fabricação de papel de fibra de carbono de alto desempenho destinado ao uso em células a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs).Neste processo, a água serve de meio;fibras de carbono picadas de comprimentos variados (normalmente 3 a 20 mm) são uniformemente dispersas na água.Uma máquina de fabricação de papel é então utilizada para filtrar rapidamente a vácuo esta suspensão em uma tela de arame, formando assim uma folha base de fibra de carbono.Esta folha base passa subsequentemente por uma série de etapas de pós-processamento – incluindo impregnação de resina, cura por prensagem a quente e carbonização/grafitização – para produzir o produto final de papel de fibra de carbono.Comparado aos métodos de conformação a seco, o papel de fibra de carbono produzido por conformação úmida apresenta densidade e uniformidade superiores, tornando-o altamente adequado para processamento em papel de fibra de carbono projetado especificamente para PEMFCs.Consequentemente, a discussão subsequente focará principalmente em fornecer uma visão geral detalhada do processo de formação úmida.Além disso, as métricas de desempenho do papel de fibra de carbono produzido tanto nacional quanto internacionalmente são geralmente comparadas com a série "TGPH" – uma linha de papel de fibra de carbono específico para PEMFC fabricado pela Toray Industries (Japão).

02 Desafios Técnicos

Durante a produção contínua de papel carbono, os fabricantes enfrentam uma preponderância de desafios técnicos relacionados à engenharia.Garantir a continuidade do processo e melhorar a uniformidade e estabilidade da qualidade do produto são as principais áreas de foco durante a produção em massa.Atualmente, alcançar a produção em massa de papel carbono em larga escala na China continua a ser um desafio, principalmente devido a restrições impostas por técnicas de processamento complexas - como a grafitização e o pós-tratamento de fibra de carbono - bem como a questões relacionadas com o equipamento de fabrico.

1. Coordenação de Processos na Produção Contínua Roll-to-Roll

Alguns fabricantes de papel carbono estão atualmente limitados a produzir apenas produtos de papel carbono em forma de folha;seus processos de produção operam em lote, dificultando a garantia de qualidade consistente do produto.O processo de fabricação rolo a rolo é o método principal para a produção contínua de papel carbono;pode ser amplamente categorizado em três estágios: dispersão e formação de teia, impregnação de resina e prensagem a quente, e carbonização e grafitização.Na fase de dispersão e formação da teia, a dispersão uniforme das fibras de carbono e a sua subsequente formação numa teia são factores críticos que influenciam a continuidade da produção.Quanto mais tempo leva para alcançar a dispersão uniforme das fibras de carbono bruto, mais complexo tende a ser o equipamento de pré-tratamento associado;inversamente, quanto menor o tempo de dispersão, mais compacto pode ser o equipamento.Além disso, como a teia de papel carbono úmido carece de força de ligação inerente e é propensa a rasgar sob estresse mecânico irregular, vários elos operacionais - incluindo dispersão de fibra, formação de teia, velocidade de transporte da teia e enrolamento de papel carbono - devem ser coordenados e sincronizados com precisão para garantir a formação contínua da teia de papel carbono.Na etapa de impregnação de resina e prensagem a quente, a operação coordenada de processos como controle quantitativo de absorção de resina, secagem, prensagem a quente contínua e enrolamento é essencial para garantir a continuidade do processo.Se a taxa de impregnação exceder a taxa de cura por prensagem a quente, a teia de papel carbono poderá absorver uma quantidade insuficiente de resina, resultando em fraca adesão entre as fibras e a matriz de resina.Por outro lado, se a taxa de impregnação for muito alta, o papel carbono pode ficar supersaturado com resina, dificultando potencialmente o fluxo completo e a distribuição da resina durante a fase de prensagem a quente e cura.Finalmente, na etapa de carbonização ou grafitização em alta temperatura, a sincronização entre a velocidade de transporte do papel carbono e seu tempo de permanência nas diversas zonas de temperatura do forno de alta temperatura é o fator chave para garantir a operação contínua.

2. Controle de uniformidade da qualidade do produto

A baixa uniformidade de qualidade entre lotes é um dos principais fatores que dificultam atualmente a substituição nacional de papel carbono importado.Variações significativas nas propriedades – seja entre diferentes locais dentro do mesmo lote de produção ou entre diferentes lotes de produção – podem causar dificuldades substanciais para os utilizadores a jusante.Espessura inconsistente, por exemplo, leva a desvios significativos na densidade volumétrica durante a montagem de pilhas de células de combustível, afetando assim propriedades críticas do eletrodo, como distribuição de água e permeabilidade a gases.A resistividade elétrica inconsistente compromete a integridade estrutural da rede condutora dentro da camada de difusão de gás, prejudicando assim a uniformidade da distribuição da densidade de corrente.Além disso, propriedades mecânicas inconsistentes resultam em variações significativas nas resistências à tração e flexão de diferentes folhas de papel carbono, tornando os eletrodos suscetíveis a danos durante o processo de montagem da pilha.A questão da uniformidade de baixa qualidade frequentemente encontrada durante a produção em massa de papel carbono decorre fundamentalmente da estrutura da rede de carbono não uniforme e instável que emerge após a carbonização da estrutura composta de fibra de carbono e resina.As causas principais provavelmente incluem ajustes tardios nos parâmetros do processo em resposta a flutuações nas propriedades da matéria-prima, controle instável sobre as concentrações de dispersantes na solução e variações na concentração da solução de resina-etanol.

3. Avanços de engenharia para equipamentos essenciais

Os equipamentos de conformação constituem o núcleo tecnológico de todos os fabricantes de papel carbono.Atualmente, os pesquisadores baseiam-se principalmente na experiência adquirida com equipamentos formadores de fabricação de papel para otimizar e ajustar esses sistemas;no entanto, se esses ajustes produzem resultados de conformação ideais ainda precisa ser validado através da prática de produção real.Além disso, são necessários mais pesquisas e desenvolvimento intensivos para enfrentar os desafios específicos envolvidos na formação de papel carbono de camada única e alta gramatura para cenários de aplicação especializados.

O equipamento de impregnação de resina é outro componente crítico na produção contínua de papel carbono.Os atuais sistemas de impregnação adaptam amplamente as tecnologias de revestimento desenvolvidas em indústrias como a fabricação de papel;no entanto, o principal desafio técnico no contexto do papel carbono reside em conseguir uma impregnação quantitativa e precisa da resina – especificamente, garantindo um nível uniforme de carga de resina e uma distribuição homogênea em todo o material.Em ambientes de laboratório, o papel carbono impregnado de resina é normalmente curado por prensagem a quente usando equipamentos como vulcanizadores de mesa.No entanto, escalar este processo até à produção em massa contínua apresenta dificuldades significativas.Consequentemente, os fabricantes têm explorado a adoção de técnicas de prensagem a quente utilizadas na indústria de fabricação de papel;no entanto, esta abordagem acarreta o risco inerente de que o contato da linha entre os dois rolos possa potencialmente rasgar o papel carbono.Como resultado, a atenção mudou para tecnologias alternativas – como prensas a quente de base plana programadas e prensas a quente com correia dupla de aço – com estas últimas oferecendo níveis particularmente elevados de precisão de controle.

Finalmente, a construção de equipamentos de carbonização e grafitização contínua representa o desafio mais significativo.Tais equipamentos possibilitam o tratamento térmico contínuo do papel carbono, garantindo assim a estabilidade de seu desempenho e qualidade.Os perfis de comprimento e temperatura desses sistemas de carbonização contínua são determinados com base em vários fatores, incluindo a resistência à tração do papel carbono, requisitos de tensão e curvatura permitida.Ao controlar com precisão o processo de aquecimento, os fabricantes podem garantir que o papel carbono atinja as especificações de desempenho desejadas durante a fase de carbonização.No processo contínuo de carbonização e grafitização, o sistema de proteção da cortina de gás atua como componente crítico para garantir a qualidade do papel carbono.Ao posicionar selos de gás ou dispositivos de cortina de gás em ambas as extremidades do forno, ele isola efetivamente o interior do ar ambiente, minimizando assim a corrosão induzida por oxigênio tanto da câmara do forno quanto do papel carbono.Isso mantém um ambiente de trabalho com baixo teor de oxigênio dentro do forno, facilitando assim a carbonização e grafitização uniformes do papel carbono.