กระดาษคาร์บอนไฟเบอร์สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงและชั้นกระจายก๊าซ (GDL)

กระดาษคาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุคอมโพสิตคล้ายกระดาษที่ทำจากเส้นใยคาร์บอนสับเป็นวัตถุดิบ โดยมีเยื่อธรรมชาติหรือเยื่อสังเคราะห์เป็นเมทริกซ์ และเสริมด้วยสารยึดเกาะและตัวเติมผ่านกระบวนการผลิตกระดาษ กระดาษคาร์บอนเป็นสารตั้งต้นหลักของชั้นการแพร่กระจายของก๊าซในเซลล์เชื้อเพลิง กระบวนการเปลี่ยนคาร์บอนไฟเบอร์ให้เป็นกระดาษคาร์บอนเป็นหนึ่งในความท้าทายหลักในการผลิตชั้นการแพร่กระจายของก๊าซ โดยกำหนดให้วัสดุมีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพหลายประการ รวมถึงความพรุนที่ควบคุมได้ การนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ความแข็งแรงเชิงกลที่เพียงพอ ความสามารถในการไม่ชอบน้ำที่แข็งแกร่ง และความต้านทานการกัดกร่อนสูง

1. กระบวนการผลิต

กระบวนการผลิตกระดาษคาร์บอนแบ่งออกเป็นกระบวนการเปียกและแห้ง กระบวนการแบบเปียกเป็นเทคโนโลยีที่สมบูรณ์ซึ่งใช้โดยผู้ผลิตเช่นโทเรและเอสจีแอล คาร์บอน. กระดาษคาร์บอนที่เตรียมโดยกระบวนการเปียกมีความสม่ำเสมอที่ดีและมีโครงสร้างหนาแน่น และเป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไปสำหรับกระดาษคาร์บอนประสิทธิภาพสูงในเซลล์เชื้อเพลิงในต่างประเทศ

กระบวนการแห้งในการเตรียมกระดาษคาร์บอนเป็นเทคโนโลยีที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วิธีนี้ใช้อากาศเป็นสื่อ โดยใช้กระบวนการสร้างแผ่นใยลมเพื่อแปรรูปกระดาษให้เป็นกระดาษฐาน ตามด้วยกระบวนการต่อมา เช่น การปรับขนาด การอบแห้ง และการทำให้เป็นคาร์บอน คุณลักษณะสำคัญของกระดาษคาร์บอนคือมีปริมาณเส้นใยคาร์บอนสูงและมีความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์สูง

1. กระบวนการขึ้นรูปแห้งเพื่อเตรียมกระดาษคาร์บอนไฟเบอร์

การขึ้นรูปแห้งเป็นเทคโนโลยีการผลิตกระดาษที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ขั้นแรก เส้นใยคาร์บอนตัดสั้นจะถูกเปิดและกระจายออกเป็นเส้นใยเดี่ยวที่สม่ำเสมอกัน จากนั้นใช้อากาศเป็นตัวกลาง ทำให้เกิดแผ่นใยขึ้นอย่างรวดเร็วเพื่อสร้างกระดาษฐาน ตามด้วยการเชื่อมด้วยกาว การอัดร้อน การบ่ม คาร์บอไนเซชัน และกราไฟไทเซชันเพื่อผลิตกระดาษคาร์บอนไฟเบอร์

เส้นใยคาร์บอนแบบตัดสั้นที่ใช้ในกระบวนการขึ้นรูปแห้งโดยทั่วไปจะมีความยาว 40-50 มม. กระดาษคาร์บอนไฟเบอร์ที่ได้นั้นมีปริมาณคาร์บอนไฟเบอร์สูง มีความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์สูง และมีการนำไฟฟ้าสูง

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเส้นใยมีความยาวมากกว่า เส้นใยจึงกระจายตัวได้ยาก พันกันและผูกปมได้ง่าย การทับซ้อนกันระหว่างเส้นใยคาร์บอนยังช่วยเพิ่มเอฟเฟกต์ "การเชื่อม" ทำให้เกิดโครงสร้างรูพรุนขนาดใหญ่ ส่งผลให้ความสม่ำเสมอค่อนข้างต่ำและโครงสร้างที่หลวมในกระดาษคาร์บอนไฟเบอร์

2. กระบวนการขึ้นรูปเปียกสำหรับกระดาษคาร์บอนไฟเบอร์

ปัจจุบัน กระบวนการเตรียมการสำหรับกระดาษคาร์บอนไฟเบอร์ประสิทธิภาพสูงสำหรับ PEMFCs ทั้งในประเทศและต่างประเทศที่ได้รับการวิจัยและใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดคือกระบวนการขึ้นรูปเปียก กระบวนการนี้ใช้น้ำเป็นตัวกลางในการกระจายเส้นใยคาร์บอนตัดสั้น (3-20 มม.) ในน้ำที่มีความยาวต่างกันอย่างสม่ำเสมอ

กระดาษฐานคาร์บอนไฟเบอร์จะถูกกรองแบบสุญญากาศอย่างรวดเร็วบนหน้าจอตัวกรองโดยใช้เครื่องผลิตกระดาษ กระบวนการต่อมา ได้แก่ การชุบเรซิน การบ่มด้วยความร้อน และการทำให้เป็นคาร์บอน/กราไฟไลเซชันเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

เมื่อเปรียบเทียบกับการขึ้นรูปแบบแห้ง การขึ้นรูปแบบเปียกจะผลิตกระดาษคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีความหนาแน่นและความสม่ำเสมอที่ดีเยี่ยม ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแปรรูปเป็นกระดาษคาร์บอนไฟเบอร์เฉพาะของ PEMFC

นอกจากนี้ ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพของกระดาษคาร์บอนไฟเบอร์ที่ผลิตในประเทศและต่างประเทศโดยทั่วไปจะอ้างอิงถึงซีรีส์ "TGPH" ของกระดาษคาร์บอนไฟเบอร์เฉพาะ PEMFC ที่ผลิตโดย Toray Industries, Inc. ของญี่ปุ่น

2. ความท้าทายทางเทคนิค

การผลิตกระดาษคาร์บอนอย่างต่อเนื่องเผชิญกับความท้าทายทางวิศวกรรมมากมาย การรับรองการผลิตอย่างต่อเนื่องและการปรับปรุงความสม่ำเสมอและเสถียรภาพของคุณภาพผลิตภัณฑ์คือข้อกังวลหลักในระหว่างการผลิตจำนวนมาก

ปัจจุบัน การผลิตกระดาษคาร์บอนจำนวนมากเป็นเรื่องยากในประเทศจีน สาเหตุหลักมาจากกระบวนการที่ซับซ้อนและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับการทำกราไฟท์ด้วยคาร์บอนไฟเบอร์และหลังการประมวลผล

1. การประสานงานกระบวนการในการผลิตต่อเนื่องแบบ Roll-to-Roll

ผู้ผลิตกระดาษคาร์บอนบางรายสามารถผลิตได้เฉพาะผลิตภัณฑ์กระดาษคาร์บอนที่มีลักษณะเป็นแผ่นเท่านั้น โดยมีกระบวนการผลิตที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งทำให้ยากต่อการรับประกันความสม่ำเสมอของคุณภาพของผลิตภัณฑ์

การผลิตแบบม้วนต่อม้วนเป็นวิธีการสำคัญสำหรับการผลิตกระดาษคาร์บอนอย่างต่อเนื่อง ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นการขึ้นรูปการกระจายตัว การชุบด้วยเรซินและการอัดร้อน และการทำให้คาร์บอนไนเซชันและกราไฟต์

ในขั้นตอนการกระจายตัว การกระจายตัวของเส้นใยคาร์บอนและการขึ้นรูปแผ่นสม่ำเสมอเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการผลิตกระดาษคาร์บอนอย่างต่อเนื่อง

เนื่องจากกระดาษคาร์บอนเปียกไม่มีแรงยึดเกาะ จึงมีแนวโน้มที่จะฉีกขาดเมื่อได้รับแรงเค้นที่ไม่สม่ำเสมอ ดังนั้น ขั้นตอนต่างๆ เช่น การกระจายตัวของเส้นใย การขึ้นรูปแผ่น ความเร็วเปล่าของกระดาษคาร์บอน และการม้วนกระดาษคาร์บอน จำเป็นต้องได้รับการประสานงานและซิงโครไนซ์เพื่อให้แน่ใจว่าการขึ้นรูปกระดาษคาร์บอนจะต่อเนื่อง

ในระหว่างขั้นตอนการชุบเรซินและขั้นตอนการอัดร้อน การดำเนินการที่ประสานกัน รวมถึงการควบคุมปริมาณการชุบเรซิน การอบแห้งกระดาษคาร์บอน การรีดร้อนอย่างต่อเนื่อง และการม้วนกระดาษคาร์บอนเป็นสิ่งสำคัญ

ในระหว่างขั้นตอนคาร์บอไนเซชันหรือกราไฟเซชันที่อุณหภูมิสูง การประสานกันระหว่างความเร็วการเคลื่อนที่ของกระดาษคาร์บอนและเวลาคงตัวภายในช่วงอุณหภูมิที่แตกต่างกันในเตาเผาที่มีอุณหภูมิสูงเป็นกุญแจสำคัญในการทำงานอย่างต่อเนื่อง

2. การควบคุมความสม่ำเสมอของคุณภาพผลิตภัณฑ์

ความสม่ำเสมอของคุณภาพแบทช์ที่ไม่ดีเป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่จำกัดการขาดแคลนกระดาษคาร์บอนในประเทศในปัจจุบัน

ความหนาที่ไม่สอดคล้องกันทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของความหนาแน่นรวมในระหว่างการประกอบปึกคาร์บอนไฟเบอร์ ซึ่งส่งผลต่อการกระจายตัวของน้ำและการซึมผ่านของอิเล็กโทรด

ความต้านทานที่ไม่สอดคล้องกันจะทำให้โครงสร้างเครือข่ายนำไฟฟ้าของชั้นการแพร่ลดลง ซึ่งส่งผลต่อความสม่ำเสมอของความหนาแน่นกระแส

คุณสมบัติทางกลที่ไม่สอดคล้องกันส่งผลให้เกิดความผันแปรของแรงดึงและความต้านทานแรงดัดงอ ซึ่งอาจนำไปสู่การแตกหักของอิเล็กโทรดในระหว่างการวางซ้อน

ปัญหาความสม่ำเสมอของคุณภาพต่ำในการผลิตมวลกระดาษคาร์บอนมีสาเหตุหลักมาจากโครงสร้างเครือข่ายคาร์บอนที่ไม่สม่ำเสมอและไม่เสถียรหลังจากการทำให้เป็นคาร์บอนของโครงสร้างคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์และเรซิน

3. ความก้าวหน้าทางวิศวกรรมสำหรับอุปกรณ์หลักที่สำคัญ

อุปกรณ์การขึ้นรูปเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับผู้ผลิตกระดาษคาร์บอน จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดสำหรับการขึ้นรูปกระดาษคาร์บอนน้ำหนักพื้นฐานสูงชั้นเดียวสำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน

อุปกรณ์เคลือบเรซินยังมีความสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตกระดาษคาร์บอนอย่างต่อเนื่อง ความท้าทายที่สำคัญอยู่ที่การชุบเรซินในเชิงปริมาณเพื่อให้แน่ใจว่ามีปริมาณเรซินที่สม่ำเสมอและสม่ำเสมอ

การกดร้อนและการบ่มอย่างต่อเนื่องกลายเป็นเรื่องยากมากขึ้นในการผลิตจำนวนมาก ดังนั้นเครื่องรีดร้อนแบบแท่นแบบขั้นบันไดที่ตั้งโปรแกรมไว้และเครื่องรีดร้อนแบบสายพานคู่จึงได้รับความสนใจ

เครื่องรีดร้อนแบบสายพานคู่จากต่างประเทศให้ความแม่นยำในการควบคุมที่สูงกว่า ในขณะที่อุปกรณ์ภายในบ้านยังคงล้าหลัง

ในที่สุด อุปกรณ์คาร์บอไนเซชันและกราฟิคไลเซชันอย่างต่อเนื่องถือเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุด ด้วยการควบคุมกระบวนการทำความร้อนอย่างแม่นยำ กระดาษคาร์บอนจึงสามารถบรรลุตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุด

ในกระบวนการคาร์บอไนเซชันและกราไฟท์ไลเซชันอย่างต่อเนื่อง ระบบป้องกันม่านอากาศมีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยการติดตั้งซีลแก๊สหรืออุปกรณ์ม่านอากาศที่ปลายทั้งสองด้านของเตาเผา จะแยกอากาศภายนอก ลดการกัดเซาะของออกซิเจน และรักษาสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนต่ำซึ่งเอื้อต่อการเกิดคาร์บอไนเซชันและกราฟิคที่สม่ำเสมอ