Kertas Karbon—Bahan Teras dalam Sektor Tenaga Hidrogen

Apabila peralihan struktur tenaga global terus mendalam, penyelidikan ke dalam teknologi tenaga baharu telah mengalami kemajuan pesat.Tenaga hidrogen—penyelesaian tenaga yang bersih, cekap dan hampir bebas pelepasan karbon—membantu mengurangkan pergantungan kepada bahan api fosil dan mengurangkan pelepasan gas rumah hijau;akibatnya, ia memegang janji yang besar untuk kedua-dua transformasi struktur tenaga dan mitigasi perubahan iklim.Didorong oleh kemajuan dalam teknologi pengeluaran, penyimpanan dan penggunaan hidrogen, kos tenaga hidrogen telah menurun secara beransur-ansur sementara skop penggunaannya telah berkembang, menjadikannya komponen yang sangat diperlukan dalam pembinaan masyarakat rendah karbon.

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) mewakili salah satu teknologi teras untuk penggunaan hidrogen.Melalui tindak balas elektrokimia, mereka menukar hidrogen dan oksigen kepada tenaga elektrik, air, dan haba.Keseluruhan proses ini sangat cekap dan hampir tidak menghasilkan pelepasan bahan pencemar, menjadikannya sesuai untuk pelbagai aplikasi—daripada sumber kuasa mudah alih kepada loji kuasa pegun berskala besar. Lapisan Resapan Gas (GDL) ialah komponen kritikal dalam PEMFC;ia bukan sahaja memudahkan pengagihan seragam gas reaktan merentasi permukaan elektrod tetapi juga bertanggungjawab untuk mengeluarkan air yang dijana dan menghantar elektron dan haba.GDL biasanya terdiri daripada substrat asas konduktif berliang dan lapisan mikroporous.Disebabkan oleh kekonduksian elektrik yang luar biasa, struktur liang seragam, dan sifat mekanikal yang teguh, kertas gentian karbon (selepas ini dirujuk sebagai "kertas karbon") telah muncul sebagai bahan substrat pilihan untuk GDL.

Kertas gentian karbon (atau "kertas karbon") ialah bahan komposit seperti kertas yang dihasilkan menggunakan proses pembuatan kertas;ia dihasilkan daripada gentian karbon cincang,menggunakan pulpa semula jadi atau sintetik sebagai matriks, dan ditambah dengan pengikat dan pengisi.Kertas karbon berfungsi sebagai substrat utama untuk lapisan resapan gas dalam sel bahan api.Proses menukar gentian karbon kepada kertas karbon merupakan salah satu cabaran teknikal teras dalam pembuatan GDL, kerana bahan yang terhasil mesti memenuhi pelbagai keperluan prestasi: keliangan boleh dikawal, kekonduksian haba dan elektrik yang sangat baik, kekuatan mekanikal yang mencukupi, hidrofobisiti yang kuat dan rintangan kakisan yang tinggi.

Walau bagaimanapun, pasaran domestik untuk kertas karbon sebahagian besarnya masih dimonopoli oleh segelintir syarikat asing.Pengeluaran dalam negeri banyak bergantung kepada pemprosesan sekunder bahan mentah yang diimport;akibatnya, kedua-dua harga dan volum pengeluaran dikekang dengan ketara oleh ketersediaan bahan mentah, mengakibatkan nisbah prestasi kos yang rendah.Kapasiti pengeluaran domestik yang terhad tidak mencukupi untuk memenuhi permintaan pasaran yang melonjak daripada industri sel bahan api negara saya, dengan itu—pada tahap tertentu—menghalang pembangunan bebas dan pribumi bagi sektor tenaga hidrogen dan sel bahan api negara.

01 Proses Pengeluaran

Mengenai proses pengeluaran untuk kertas karbon, perbezaan dibuat antara kaedah basah dan kaedah kering.Kaedah basah dianggap sebagai teknologi matang, dan pengeluar seperti Toray dan SGL Carbon secara meluas menggunakan pendekatan ini.Kertas karbon yang dihasilkan melalui kaedah basah mempamerkan keseragaman yang sangat baik dan struktur yang padat;akibatnya, ia adalah kaedah yang diterima pakai secara universal untuk mengeluarkan kertas karbon berprestasi tinggi untuk sel bahan api di peringkat antarabangsa.Kaedah kering untuk pengeluaran kertas karbon, sebaliknya, adalah teknologi yang telah berkembang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini.Dalam kaedah ini, udara berfungsi sebagai medium;gentian karbon yang dicincang diproses menjadi helaian asas menggunakan teknik membentuk web yang diletakkan di udara, diikuti dengan langkah pemprosesan seterusnya seperti aplikasi pengikat, pengeringan, dan pengkarbonan.Ciri-ciri utama kertas karbon yang dihasilkan melalui kaedah ini ialah kandungan gentian karbonnya yang tinggi dan kekuatan produk yang unggul.

1. Pembentukan Kering-Laid untuk Pengeluaran Kertas Gentian Karbon

Pembentukan kering adalah teknologi pembuatan kertas yang telah menyaksikan perkembangan pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini.Proses bermula dengan membuka dan menyebarkangentian karbon cincangmenjadi helai individu yang seragam.Menggunakan udara sebagai medium, gentian ini kemudiannya dengan cepat dibentuk menjadi web melalui teknik peletakan udara untuk menghasilkan helaian asas.Lembaran asas ini kemudiannya menjalani aplikasi pengikat, pengawetan tekan panas, dan pengkarbonan/grafit untuk menghasilkan kertas gentian karbon akhir.Semasa proses pembentukan kering, gentian karbon yang dicincang biasanya mempunyai panjang antara 40 hingga 50 mm.Kertas gentian karbon yang dihasilkan mempunyai kandungan gentian karbon yang tinggi, kekuatan produk yang tinggi dan kekonduksian elektrik yang tinggi.Walau bagaimanapun, disebabkan oleh panjang gentian karbon yang agak panjang, ia terdedah kepada serakan yang lemah—seringkali berselirat atau bersimpul bersama.Tambahan pula, pertindihan yang meluas antara gentian meningkatkan kesan "merapatkan", yang membawa kepada pembentukan struktur liang besar;akibatnya, kertas gentian karbon yang terhasil cenderung menunjukkan keseragaman yang agak lemah dan struktur yang longgar.

2. Pembentukan Basah-Laid untuk Pengeluaran Kertas Gentian Karbon

Pada masa ini, proses pembentukan basah menjadi kaedah pengeluaran yang paling banyak dikaji dan digunakan secara meluas—di dalam dan luar negara—untuk menghasilkan kertas gentian karbon berprestasi tinggi yang bertujuan untuk digunakan dalam Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs).Dalam proses ini, air berfungsi sebagai medium;gentian karbon yang dicincang dengan panjang yang berbeza-beza (biasanya 3 hingga 20 mm) tersebar secara seragam di dalam air.Mesin pembuat kertas kemudiannya digunakan untuk menapis vakum dengan pantas penggantungan ini pada skrin wayar, dengan itu membentuk helaian asas gentian karbon.Helaian asas ini kemudiannya menjalani satu siri langkah pasca pemprosesan—termasuk impregnasi resin, pengawetan tekan panas dan pengkarbonan/grafit—untuk menghasilkan produk kertas gentian karbon akhir.Berbanding dengan kaedah pembentukan kering, kertas gentian karbon yang dihasilkan melalui pembentukan basah mempamerkan ketumpatan dan keseragaman yang unggul, menjadikannya sangat sesuai untuk diproses menjadi kertas gentian karbon yang direka khusus untuk PEMFC.Akibatnya, perbincangan seterusnya akan tertumpu terutamanya pada penyediaan gambaran keseluruhan terperinci tentang proses pembentukan basah.Tambahan pula, metrik prestasi kertas gentian karbon yang dihasilkan di dalam dan di luar negara secara amnya ditanda aras dengan siri "TGPH"—barisan kertas gentian karbon khusus PEMFC yang dikeluarkan oleh Toray Industries (Jepun).

02 Cabaran Teknikal

Semasa pengeluaran berterusan kertas karbon, pengilang menghadapi lebih banyak cabaran teknikal berkaitan kejuruteraan.Memastikan kesinambungan proses dan meningkatkan keseragaman dan kestabilan kualiti produk adalah bidang tumpuan utama semasa pengeluaran besar-besaran.Pada masa ini, mencapai pengeluaran besar-besaran kertas karbon di China masih mencabar, terutamanya disebabkan oleh kekangan yang dikenakan oleh teknik pemprosesan yang kompleks—seperti grafisasi gentian karbon dan pasca-rawatan—serta isu yang berkaitan dengan peralatan pembuatan.

1. Penyelarasan Proses dalam Pengeluaran Berterusan Roll-to-Roll

Sesetengah pengeluar kertas karbon pada masa ini terhad untuk mengeluarkan hanya produk kertas karbon bentuk lembaran;proses pengeluaran mereka beroperasi dalam mod kelompok, menjadikannya sukar untuk menjamin kualiti produk yang konsisten.Proses pembuatan roll-to-roll adalah kaedah utama untuk pengeluaran berterusan kertas karbon;ia boleh dikategorikan secara meluas kepada tiga peringkat: penyebaran dan pembentukan web, impregnasi resin dan penekan panas, dan pengkarbonan dan grafitisasi.Dalam peringkat penyebaran dan pembentukan web, penyebaran seragam gentian karbon dan pembentukan seterusnya ke dalam web adalah faktor kritikal yang mempengaruhi kesinambungan pengeluaran.Semakin lama masa yang diperlukan untuk mencapai penyebaran seragam gentian karbon mentah, semakin kompleks peralatan prarawatan yang berkaitan cenderung;sebaliknya, semakin pendek masa penyebaran, semakin padat peralatan itu.Tambahan pula, memandangkan web kertas karbon basah tidak mempunyai kekuatan ikatan yang wujud dan terdedah kepada koyak di bawah tekanan mekanikal yang tidak sekata, pelbagai pautan operasi—termasuk penyebaran gentian, pembentukan web, kelajuan pengangkutan web dan penggulungan kertas karbon—mesti diselaraskan dan disegerakkan dengan tepat untuk memastikan pembentukan web kertas karbon yang berterusan.Dalam peringkat impregnasi resin dan penekan panas, operasi terkoordinasi proses seperti kawalan kuantitatif pengambilan resin, pengeringan, penekanan panas berterusan, dan penggulungan adalah penting untuk memastikan kesinambungan proses.Jika kadar impregnasi melebihi kadar pengawetan tekanan panas, web kertas karbon mungkin menyerap jumlah resin yang tidak mencukupi, mengakibatkan lekatan yang lemah antara gentian dan matriks resin.Sebaliknya, jika kadar impregnasi terlalu tinggi, kertas karbon mungkin menjadi terlalu tepu dengan resin, berpotensi menghalang aliran dan pengedaran lengkap resin semasa fasa menekan panas dan pengawetan.Akhir sekali, dalam peringkat pengkarbonan atau grafisasi suhu tinggi, penyegerakan antara kelajuan pengangkutan kertas karbon dan masa tinggalnya dalam pelbagai zon suhu relau suhu tinggi adalah faktor utama untuk memastikan operasi berterusan.

2. Kawalan Keseragaman Kualiti Produk

Keseragaman kualiti kumpulan-ke-kelompok yang lemah adalah salah satu faktor utama yang menghalang penggantian domestik kertas karbon yang diimport.Variasi yang ketara dalam hartanah—sama ada antara lokasi berbeza dalam kelompok pengeluaran yang sama atau antara kelompok pengeluaran yang berbeza—boleh menyebabkan kesukaran yang besar untuk pengguna hiliran.Ketebalan yang tidak konsisten, contohnya, membawa kepada sisihan ketara dalam ketumpatan isipadu semasa pemasangan susunan sel bahan api, sekali gus menjejaskan sifat elektrod kritikal seperti pengagihan air dan kebolehtelapan gas.Kerintangan elektrik yang tidak konsisten menjejaskan integriti struktur rangkaian konduktif dalam lapisan resapan gas, dengan itu menjejaskan keseragaman pengagihan ketumpatan arus.Tambahan pula, sifat mekanikal yang tidak konsisten mengakibatkan variasi ketara dalam kekuatan tegangan dan lenturan kepingan kertas karbon yang berbeza, menjadikan elektrod mudah rosak semasa proses pemasangan tindanan.Isu keseragaman kualiti buruk yang sering dihadapi semasa pengeluaran besar-besaran kertas karbon berpunca asasnya daripada struktur rangkaian karbon yang tidak seragam dan tidak stabil yang muncul selepas pengkarbonan struktur komposit resin gentian karbon.Punca punca mungkin termasuk pelarasan tertunda untuk memproses parameter sebagai tindak balas kepada turun naik dalam sifat bahan mentah, kawalan yang tidak stabil ke atas kepekatan penyebaran dalam larutan, dan variasi dalam kepekatan larutan resin-etanol.

3. Kejayaan Kejuruteraan untuk Peralatan Teras Utama

Peralatan membentuk merupakan teras teknologi untuk semua pengeluar kertas karbon.Pada masa ini, penyelidik terutamanya menggunakan pengalaman yang diperoleh daripada peralatan membentuk kertas untuk mengoptimumkan dan memperhalusi sistem ini;walau bagaimanapun, sama ada pelarasan ini menghasilkan keputusan pembentukan yang optimum masih perlu disahkan melalui amalan pengeluaran sebenar.Tambahan pula, penyelidikan dan pembangunan intensif selanjutnya diperlukan untuk menangani cabaran khusus yang terlibat dalam membentuk kertas karbon satu lapisan, berat asas tinggi untuk senario aplikasi khusus.

Peralatan impregnasi resin adalah satu lagi komponen kritikal dalam pengeluaran berterusan kertas karbon.Sistem impregnasi semasa sebahagian besarnya menyesuaikan teknologi salutan yang dibangunkan dalam industri seperti pembuatan kertas;bagaimanapun, cabaran teknikal utama dalam konteks kertas karbon terletak pada mencapai impregnasi resin kuantitatif yang tepat—khususnya, memastikan kedua-dua tahap pemuatan resin yang seragam dan pengedaran yang homogen ke seluruh bahan.Dalam tetapan makmal, kertas karbon yang diresapi resin biasanya diawet melalui penekan panas menggunakan peralatan seperti pemvulkan katil rata.Walau bagaimanapun, penskalaan proses ini sehingga pengeluaran besar-besaran berterusan memberikan kesukaran yang ketara.Akibatnya, pengeluar telah meneroka menggunakan teknik menekan hot-roll yang digunakan dalam industri pembuatan kertas;namun, pendekatan ini membawa risiko yang wujud bahawa hubungan talian antara dua penggelek berpotensi merobek kertas karbon.Akibatnya, perhatian telah beralih ke arah teknologi alternatif—seperti penekan panas katil rata mengikut langkah yang diprogramkan dan penekan panas tali pinggang keluli berkembar—dengan yang terakhir menawarkan ketepatan kawalan tahap yang tinggi.

Akhir sekali, pembinaan peralatan pengkarbonan dan grafisasi berterusan mewakili cabaran yang paling ketara.Peralatan sedemikian membolehkan rawatan haba berterusan kertas karbon, dengan itu memastikan kestabilan prestasi dan kualitinya.Profil panjang dan suhu sistem pengkarbonan berterusan ini ditentukan berdasarkan pelbagai faktor, termasuk kekuatan tegangan kertas karbon, keperluan tegangan dan kendur yang dibenarkan.Dengan mengawal proses pemanasan dengan tepat, pengeluar boleh memastikan bahawa kertas karbon mencapai spesifikasi prestasi sasarannya semasa peringkat pengkarbonan.Dalam proses pengkarbonan dan grafisasi berterusan, sistem perlindungan tirai gas berfungsi sebagai komponen kritikal untuk memastikan kualiti kertas karbon.Dengan meletakkan pengedap gas atau peranti tirai gas di kedua-dua hujung relau, ia mengasingkan bahagian dalam dengan berkesan daripada udara ambien, dengan itu meminimumkan kakisan yang disebabkan oleh oksigen bagi kedua-dua ruang relau dan kertas karbon.Ini mengekalkan persekitaran kerja rendah oksigen dalam relau, dengan itu memudahkan pengkarbonan seragam dan penggrafitan kertas karbon.