Kertas Gentian Karbon untuk Sel Bahan Api dan Lapisan Resapan Gas (GDL)

Kertas gentian karbon ialah bahan komposit seperti kertas yang diperbuat daripada gentian karbon cincang sebagai bahan mentah, dengan pulpa semula jadi atau sintetik sebagai matriks, dan ditambah dengan pengikat dan pengisi melalui proses pembuatan kertas. Kertas karbon ialah substrat utama lapisan resapan gas dalam sel bahan api. Proses menukar gentian karbon kepada kertas karbon adalah salah satu cabaran teras dalam pengeluaran lapisan resapan gas, yang memerlukan bahan untuk memenuhi pelbagai keperluan prestasi, termasuk keliangan yang boleh dikawal, kekonduksian haba dan elektrik yang sangat baik, kekuatan mekanikal yang mencukupi, hidrofobisiti yang kuat, dan rintangan kakisan yang tinggi.

1. Proses Pengeluaran

Proses pengeluaran kertas karbon dibahagikan kepada proses basah dan kering. Proses basah adalah teknologi matang, digunakan oleh pengeluar sepertiToraydanSGL Karbon. Kertas karbon yang disediakan melalui proses basah mempunyai keseragaman yang baik dan struktur yang padat, dan merupakan kaedah yang biasa digunakan untuk kertas karbon berprestasi tinggi dalam sel bahan api di luar negara.

Proses kering untuk menyediakan kertas karbon adalah teknologi yang berkembang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Kaedah ini menggunakan udara sebagai medium, menggunakan proses pembentukan web aliran udara untuk memproses kertas menjadi kertas asas, diikuti dengan proses seterusnya seperti pensaizan, pengeringan dan pengkarbonan. Ciri utama kertas karbon ialah kandungan gentian karbonnya yang tinggi dan kekuatan produk yang tinggi.

1. Proses Pembentukan Kering untuk Menyediakan Kertas Gentian Karbon

Pembentukan kering ialah teknologi pembuatan kertas yang berkembang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Pertama, gentian karbon pintasan dibuka dan tersebar menjadi gentian tunggal yang seragam. Kemudian, menggunakan udara sebagai medium, web dengan cepat dibentuk untuk mencipta kertas asas. Ini diikuti dengan ikatan dengan pelekat, penekanan panas, pengawetan, pengkarbonan, dan grafitasi untuk menghasilkan kertas gentian karbon.

Gentian karbon pintasan yang digunakan dalam proses pembentukan kering biasanya berukuran 40-50 mm panjang. Kertas gentian karbon yang terhasil mempunyai kandungan gentian karbon yang tinggi, kekuatan produk yang tinggi, dan kekonduksian yang tinggi.

Walau bagaimanapun, disebabkan oleh panjang gentian yang lebih panjang, gentian sukar untuk dihamburkan, mudah terjerat dan bersimpul. Pertindihan antara gentian karbon juga meningkatkan kesan "merapatkan", membentuk struktur liang besar, menghasilkan keseragaman yang agak lemah dan struktur longgar dalam kertas gentian karbon.

2. Proses Pembentukan Basah untuk Kertas Gentian Karbon

Pada masa ini, proses penyediaan yang paling diteliti dan digunakan secara meluas untuk kertas gentian karbon berprestasi tinggi untuk PEMFC, di dalam dan di luar negara, ialah proses pembentukan basah. Proses ini menggunakan air sebagai medium, menyebarkan gentian karbon potong pintas secara seragam (3-20 mm) dengan panjang yang berbeza-beza dalam air.

Kertas asas gentian karbon kemudiannya ditapis dengan pantas pada skrin penapis menggunakan mesin kertas. Proses seterusnya termasuk impregnasi resin, pengawetan tekan panas, dan pengkarbonan/grafit untuk menghasilkan produk akhir.

Berbanding dengan pembentukan kering, pembentukan basah menghasilkan kertas gentian karbon dengan ketumpatan dan keseragaman yang sangat baik, menjadikannya sangat sesuai untuk diproses menjadi kertas gentian karbon khusus PEMFC.

Tambahan pula, penunjuk prestasi kertas gentian karbon yang dihasilkan di dalam dan di peringkat antarabangsa secara amnya dirujuk kepada siri "TGPH" kertas gentian karbon khusus PEMFC yang dikeluarkan oleh Toray Industries, Inc. dari Jepun.

2. Cabaran Teknikal

Pengeluaran kertas karbon yang berterusan menghadapi pelbagai cabaran kejuruteraan. Memastikan pengeluaran berterusan dan meningkatkan keseragaman dan kestabilan kualiti produk adalah kebimbangan utama semasa pengeluaran besar-besaran.

Pada masa ini, pengeluaran besar-besaran kertas karbon adalah sukar di China, terutamanya disebabkan oleh proses dan peralatan yang kompleks yang terlibat dalam grafisasi gentian karbon dan pasca pemprosesan.

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

Sesetengah pengeluar kertas karbon hanya boleh menghasilkan produk kertas karbon seperti lembaran, dengan proses pengeluaran terputus-putus yang menyukarkan untuk menjamin keseragaman kualiti produk.

Pengeluaran roll-to-roll adalah kaedah penting untuk pengeluaran kertas karbon berterusan, yang boleh dibahagikan kepada pembentukan serakan, impregnasi resin dan penekan panas, dan pengkarbonan dan grafitisasi.

Dalam peringkat pembentukan serakan, serakan seragam gentian karbon dan pembentukan web adalah faktor penting yang mempengaruhi pengeluaran kertas karbon berterusan.

Memandangkan kosong kertas karbon basah tidak mempunyai daya pelekat, ia terdedah kepada koyak apabila dikenakan tekanan yang tidak konsisten. Oleh itu, peringkat yang berbeza seperti penyebaran gentian, pembentukan web, kelajuan kosong kertas karbon, dan penggulungan kertas karbon perlu diselaraskan dan disegerakkan untuk memastikan pembentukan kertas karbon berterusan.

Semasa peringkat impregnasi resin dan penekan panas, operasi yang diselaraskan termasuk kawalan kuantiti impregnasi resin, pengeringan kertas karbon, penekanan panas berterusan, dan penggulungan kertas karbon adalah penting.

Semasa peringkat pengkarbonan atau grafisasi suhu tinggi, penyelarasan antara kelajuan perjalanan kertas karbon dan masa tinggal dalam julat suhu yang berbeza dalam relau suhu tinggi adalah kunci kepada operasi berterusan.

2. Kawalan Keseragaman Kualiti Produk

Keseragaman kualiti kumpulan yang lemah adalah salah satu faktor utama yang menyekat kekurangan semasa penggantian domestik untuk kertas karbon.

Ketebalan yang tidak konsisten membawa kepada penyelewengan dalam ketumpatan pukal semasa pemasangan tindanan gentian karbon, menjejaskan pengagihan air dan kebolehtelapan elektrod.

Kerintangan yang tidak konsisten merendahkan struktur rangkaian konduktif lapisan resapan, memberi kesan kepada keseragaman ketumpatan arus.

Sifat mekanikal yang tidak konsisten mengakibatkan variasi dalam kekuatan tegangan dan lentur, yang berpotensi membawa kepada kerosakan elektrod semasa menyusun.

Isu keseragaman kualiti yang lemah dalam pengeluaran besar-besaran kertas karbon pada asasnya disebabkan oleh struktur rangkaian karbon yang tidak seragam dan tidak stabil selepas pengkarbonan struktur komposit gentian karbon-resin.

3. Kejayaan Kejuruteraan untuk Peralatan Teras Utama

Peralatan membentuk adalah teknologi teras untuk pengeluar kertas karbon. Penyelidikan lanjut diperlukan untuk memenuhi keperluan untuk membentuk kertas karbon berat asas tinggi satu lapisan untuk aplikasi tertentu.

Peralatan impregnasi resin juga penting dalam pengeluaran kertas karbon berterusan. Cabaran utama terletak pada impregnasi resin secara kuantitatif untuk memastikan beban resin yang seragam dan sekata.

Penekanan panas dan pengawetan berterusan menjadi lebih sukar dalam pengeluaran besar-besaran. Oleh itu, penekan panas katil rata jenis langkah yang diprogramkan dan penekan panas dua tali pinggang telah mendapat perhatian.

Penekan panas dua tali pinggang asing menawarkan ketepatan kawalan yang lebih tinggi, manakala peralatan domestik masih ketinggalan.

Akhir sekali, peralatan pengkarbonan dan grafitisasi berterusan memberikan cabaran terbesar. Dengan mengawal proses pemanasan dengan tepat, kertas karbon boleh mencapai penunjuk prestasi yang ideal.

Dalam pengkarbonan dan grafisasi berterusan, sistem perlindungan tirai udara adalah penting. Dengan memasang pengedap gas atau peranti tirai udara di kedua-dua hujung relau, ia mengasingkan udara luar, mengurangkan hakisan oksigen, dan mengekalkan persekitaran oksigen rendah yang kondusif untuk pengkarbonan dan grafit yang seragam.