Papel de fibra de carbono para células de combustível e camada de difusão de gás (GDL)
O papel de fibra de carbono é um material compósito semelhante ao papel feito de fibras de carbono picadas como matéria-prima, com polpa natural ou sintética como matriz, e complementado com aglutinantes e cargas por meio de um processo de fabricação de papel. O papel carbono é o principal substrato da camada de difusão de gás nas células a combustível. O processo de transformação de fibras de carbono em papel carbono é um dos principais desafios na produção de camadas de difusão de gás, exigindo que o material atenda a vários requisitos de desempenho, incluindo porosidade controlável, excelente condutividade térmica e elétrica, resistência mecânica suficiente, forte hidrofobicidade e alta resistência à corrosão.
1. Processo de Produção
Os processos de produção de papel carbono são divididos em processos úmidos e secos. O processo úmido é uma tecnologia madura, utilizada por fabricantes comoTorayeCarbono SGL. O papel carbono preparado pelo processo úmido possui boa uniformidade e estrutura densa, sendo o método comumente utilizado para papel carbono de alto desempenho em células de combustível no exterior.
O processo seco para preparação de papel carbono é uma tecnologia em rápido desenvolvimento nos últimos anos. Este método utiliza ar como meio, empregando um processo de formação de teia com fluxo de ar para processar o papel em um papel base, seguido por processos subsequentes, como colagem, secagem e carbonização. A principal característica do papel carbono é seu alto teor de fibra de carbono e alta resistência do produto.
1. Processo de conformação a seco para preparação de papel de fibra de carbono
A conformação a seco é uma tecnologia de fabricação de papel em rápido desenvolvimento nos últimos anos. Primeiro, as fibras curtas de carbono são abertas e dispersas em fibras únicas e uniformes. Então, usando o ar como meio, uma teia é rapidamente formada para criar o papel base. Isto é seguido pela colagem com adesivo, prensagem a quente, cura, carbonização e grafitização para produzir papel de fibra de carbono.
As fibras de carbono de corte curto usadas no processo de conformação a seco têm tipicamente 40-50 mm de comprimento. O papel de fibra de carbono resultante tem alto teor de fibra de carbono, alta resistência do produto e alta condutividade.
No entanto, devido ao maior comprimento da fibra, as fibras são difíceis de dispersar, facilmente emaranhadas e com nós. A sobreposição entre as fibras de carbono também aumenta o efeito de "ponte", formando uma estrutura de poros grandes, resultando numa uniformidade relativamente fraca e numa estrutura solta no papel de fibra de carbono.
2. Processo de formação úmida para papel de fibra de carbono
Atualmente, o processo de preparação de papel de fibra de carbono de alto desempenho para PEMFCs mais pesquisado e amplamente aplicado, tanto nacional quanto internacionalmente, é o processo de conformação úmida. Este processo utiliza água como meio, dispersando uniformemente fibras curtas de carbono (3-20 mm) de comprimentos variados na água.
O papel à base de fibra de carbono é então rapidamente filtrado a vácuo em uma tela de filtro usando uma máquina de papel. Os processos subsequentes incluem impregnação de resina, cura por prensagem a quente e carbonização/grafitização para produzir o produto final.
Comparada à conformação a seco, a conformação a úmido produz papel de fibra de carbono com excelente densidade e uniformidade, tornando-a altamente adequada para processamento em papel de fibra de carbono específico para PEMFC.
Além disso, os indicadores de desempenho do papel de fibra de carbono produzido nacional e internacionalmente são geralmente referenciados à série "TGPH" de papel de fibra de carbono específico para PEMFC fabricado pela Toray Industries, Inc. do Japão.
2. Desafios Técnicos
A produção contínua de papel carbono enfrenta inúmeros desafios de engenharia. Garantir a produção contínua e melhorar a uniformidade e estabilidade da qualidade do produto são preocupações fundamentais durante a produção em massa.
Atualmente, a produção em massa de papel carbono em larga escala é difícil na China, principalmente devido aos complexos processos e equipamentos envolvidos na grafitização e pós-processamento da fibra de carbono.
1. Coordenação de Processos na Produção Contínua Roll-to-Roll
Alguns fabricantes de papel carbono só podem produzir produtos de papel carbono em forma de folha, com processos de produção intermitentes que dificultam a garantia da uniformidade da qualidade do produto.
A produção rolo a rolo é um método importante para a produção contínua de papel carbono, que pode ser dividida em formação de dispersão, impregnação de resina e prensagem a quente, e carbonização e grafitização.
Na fase de formação de dispersão, a dispersão uniforme das fibras de carbono e a formação da teia são fatores importantes que afetam a produção contínua de papel carbono.
Como o papel carbono úmido não tem força adesiva, ele está sujeito a rasgar quando submetido a tensões inconsistentes. Portanto, diferentes estágios, como dispersão da fibra, formação da teia, velocidade da folha de papel carbono e enrolamento do papel carbono, precisam ser coordenados e sincronizados para garantir a formação contínua do papel carbono.
Durante a etapa de impregnação de resina e prensagem a quente, a operação coordenada, incluindo controle da quantidade de impregnação de resina, secagem de papel carbono, prensagem a quente contínua e enrolamento de papel carbono é crucial.
Durante o estágio de carbonização ou grafitização em alta temperatura, a coordenação entre a velocidade de deslocamento do papel carbono e o tempo de residência dentro de diferentes faixas de temperatura no forno de alta temperatura é fundamental para a operação contínua.
2. Controle de uniformidade da qualidade do produto
A baixa uniformidade da qualidade dos lotes é um dos principais fatores que restringem a atual falta de substituição nacional do papel carbono.
Espessuras inconsistentes levam a desvios na densidade aparente durante a montagem da pilha de fibra de carbono, afetando a distribuição de água e a permeabilidade dos eletrodos.
A resistividade inconsistente degrada a estrutura da rede condutora da camada de difusão, impactando a uniformidade da densidade de corrente.
Propriedades mecânicas inconsistentes resultam em variações na resistência à tração e flexão, levando potencialmente à quebra do eletrodo durante o empilhamento.
O problema de uniformidade de baixa qualidade na produção em massa de papel carbono é essencialmente devido à estrutura da rede de carbono não uniforme e instável após a carbonização da estrutura composta de fibra de carbono-resina.
3. Avanços de engenharia para equipamentos essenciais
O equipamento de conformação é a tecnologia central para os fabricantes de papel carbono. Mais pesquisas são necessárias para atender aos requisitos de formação de papel carbono de camada única e alta gramatura para aplicações específicas.
O equipamento de impregnação de resina também é crucial na produção contínua de papel carbono. Um desafio importante reside na impregnação quantitativa da resina para garantir uma carga de resina uniforme e uniforme.
A prensagem a quente e a cura contínuas tornam-se mais difíceis na produção em massa. Portanto, as prensas a quente de mesa plana programadas e as prensas a quente de correia dupla ganharam atenção.
As prensas quentes estrangeiras de correia dupla oferecem maior precisão de controle, enquanto os equipamentos nacionais ainda ficam para trás.
Finalmente, os equipamentos de carbonização e grafitização contínua apresentam o maior desafio. Ao controlar com precisão o processo de aquecimento, o papel carbono pode atingir indicadores de desempenho ideais.
Na carbonização e grafitização contínuas, o sistema de proteção da cortina de ar é crucial. Ao instalar selos de gás ou dispositivos de cortina de ar em ambas as extremidades do forno, ele isola o ar externo, reduz a erosão do oxigênio e mantém um ambiente com baixo teor de oxigênio, propício à carbonização e grafitização uniformes.
