Carta carbone: un materiale fondamentale nel settore dell'energia dell'idrogeno

Mentre la transizione della struttura energetica globale continua ad approfondirsi, la ricerca sulle nuove tecnologie energetiche ha registrato rapidi progressi.L’energia dell’idrogeno – una soluzione energetica pulita, efficiente e praticamente priva di emissioni di carbonio – aiuta a ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e a ridurre le emissioni di gas serra;di conseguenza, rappresenta un’enorme promessa sia per la trasformazione strutturale dell’energia che per la mitigazione del cambiamento climatico.Spinto dai progressi nelle tecnologie di produzione, stoccaggio e utilizzo dell’idrogeno, il costo dell’energia dell’idrogeno è gradualmente diminuito mentre il suo campo di applicazione si è ampliato, rendendolo una componente indispensabile nella costruzione di una società a basse emissioni di carbonio.

Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) rappresentano una delle tecnologie fondamentali per l'utilizzo dell'idrogeno.Attraverso reazioni elettrochimiche, convertono l'idrogeno e l'ossigeno in energia elettrica, acqua e calore.L'intero processo è altamente efficiente e non genera praticamente alcuna emissione di sostanze inquinanti, rendendolo adatto a un'ampia gamma di applicazioni: dalle fonti di energia portatili alle centrali elettriche stazionarie su larga scala. Lo strato di diffusione del gas (GDL) è un componente critico all'interno di una PEMFC;non solo facilita la distribuzione uniforme dei gas reagenti sulla superficie dell'elettrodo, ma è anche responsabile dell'espulsione dell'acqua generata e della conduzione di elettroni e calore.Un GDL è tipicamente costituito da un substrato di base poroso e conduttivo e da uno strato microporoso.Grazie alla sua eccezionale conduttività elettrica, alla struttura uniforme dei pori e alle robuste proprietà meccaniche, la carta in fibra di carbonio (di seguito denominata "carta carbone") è emersa come il materiale di substrato preferito per i GDL.

La carta in fibra di carbonio (o "carta carbone") è un materiale composito simile alla carta prodotto utilizzando un processo di fabbricazione della carta;è prodotto da fibre di carbonio tritate,utilizzando pasta naturale o sintetica come matrice e integrata con leganti e riempitivi.La carta carbone funge da substrato primario per gli strati di diffusione del gas nelle celle a combustibile.Il processo di conversione delle fibre di carbonio in carta carbone costituisce una delle principali sfide tecniche nella produzione GDL, poiché il materiale risultante deve soddisfare una moltitudine di requisiti prestazionali: porosità controllabile, eccellente conduttività termica ed elettrica, sufficiente resistenza meccanica, forte idrofobicità ed elevata resistenza alla corrosione.

Tuttavia, il mercato interno della carta carbone rimane in gran parte monopolizzato da una manciata di società straniere.La produzione nazionale dipende fortemente dalla lavorazione secondaria delle materie prime importate;di conseguenza, sia i prezzi che il volume di produzione sono significativamente vincolati dalla disponibilità delle materie prime, con il risultato di un basso rapporto costi-prestazioni.La limitata capacità di produzione interna non è sufficiente a soddisfare la crescente domanda di mercato da parte dell’industria delle celle a combustibile del mio paese, ostacolando così, in una certa misura, lo sviluppo indipendente e indigeno dei settori nazionali dell’energia a idrogeno e delle celle a combustibile.

01 Processo di produzione

Per quanto riguarda i processi di produzione della carta carbone si distingue tra metodo ad umido e metodo a secco.Il metodo a umido è considerato una tecnologia matura e produttori come Toray e SGL Carbon utilizzano ampiamente questo approccio.La carta carbone prodotta con il metodo a umido presenta un'eccellente uniformità e una struttura densa;di conseguenza, è il metodo universalmente adottato per la produzione di carta carbone ad alte prestazioni per celle a combustibile a livello internazionale.Il metodo a secco per la produzione della carta carbone, invece, è una tecnologia che ha avuto un rapido sviluppo negli ultimi anni.In questo metodo, l'aria funge da mezzo;le fibre di carbonio tritate vengono trasformate in un foglio di base utilizzando una tecnica di formazione del nastro air-laid, seguita da successive fasi di lavorazione come l'applicazione del legante, l'essiccazione e la carbonizzazione.Le caratteristiche principali della carta carbone prodotta con questo metodo sono l'elevato contenuto di fibra di carbonio e la resistenza superiore del prodotto.

1. Formatura a secco per la produzione di carta in fibra di carbonio

La formatura a secco è una tecnologia di produzione della carta che ha visto un rapido sviluppo negli ultimi anni.Il processo inizia con l'apertura e la dispersionefibre di carbonio tritatein singoli filamenti uniformi.Utilizzando l'aria come mezzo, queste fibre vengono quindi rapidamente formate in una rete tramite una tecnica di posa ad aria per produrre un foglio di base.Questo foglio di base viene successivamente sottoposto ad applicazione di legante, indurimento con pressa a caldo e carbonizzazione/grafitizzazione per produrre la carta finale in fibra di carbonio.Durante il processo di formatura a secco, le fibre di carbonio tagliate hanno tipicamente una lunghezza compresa tra 40 e 50 mm.La carta in fibra di carbonio risultante presenta un elevato contenuto di fibra di carbonio, un'elevata resistenza del prodotto ed un'elevata conduttività elettrica.Tuttavia, a causa della lunghezza relativamente lunga delle fibre di carbonio, sono soggette a scarsa dispersione e spesso si aggrovigliano o si annodano insieme.Inoltre, l'estesa sovrapposizione tra le fibre intensifica l'effetto “ponte”, portando alla formazione di strutture a pori di grandi dimensioni;di conseguenza, la carta in fibra di carbonio risultante tende a presentare un'uniformità relativamente scarsa e una struttura lasca.

2. Formatura a umido per la produzione di carta in fibra di carbonio

Attualmente, il processo di formatura a umido rappresenta il metodo di produzione più ampiamente studiato e ampiamente applicato, sia a livello nazionale che internazionale, per la produzione di carta in fibra di carbonio ad alte prestazioni destinata all’uso nelle celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC).In questo processo, l'acqua funge da mezzo;fibre di carbonio tritate di varia lunghezza (tipicamente da 3 a 20 mm) sono uniformemente disperse nell'acqua.Una macchina per la produzione della carta viene quindi utilizzata per filtrare rapidamente sotto vuoto questa sospensione su un vaglio metallico, formando così un foglio di base in fibra di carbonio.Questo foglio di base viene successivamente sottoposto a una serie di fasi di post-elaborazione, tra cui l'impregnazione con resina, l'indurimento tramite pressa a caldo e la carbonizzazione/grafitizzazione, per produrre il prodotto finale in carta in fibra di carbonio.Rispetto ai metodi di formatura a secco, la carta in fibra di carbonio prodotta tramite formatura a umido presenta densità e uniformità superiori, rendendola altamente adatta per la trasformazione in carta in fibra di carbonio appositamente progettata per PEMFC.Di conseguenza, la discussione successiva si concentrerà principalmente sulla fornitura di una panoramica dettagliata del processo di formatura a umido.Inoltre, i parametri prestazionali della carta in fibra di carbonio prodotta sia a livello nazionale che internazionale sono generalmente confrontati con la serie "TGPH", una linea di carta in fibra di carbonio specifica per PEMFC prodotta da Toray Industries (Giappone).

02 Sfide tecniche

Durante la produzione continua di carta carbone, i produttori devono affrontare una preponderanza di sfide tecniche legate all’ingegneria.Garantire la continuità del processo e migliorare l'uniformità e la stabilità della qualità del prodotto sono le principali aree di interesse durante la produzione di massa.Attualmente, realizzare una produzione di massa su larga scala di carta carbone in Cina rimane una sfida, principalmente a causa dei vincoli imposti da complesse tecniche di lavorazione – come la grafitizzazione e il post-trattamento della fibra di carbonio – nonché da problemi relativi alle attrezzature di produzione.

1. Coordinamento del processo nella produzione continua roll-to-roll

Alcuni produttori di carta carbone sono attualmente limitati a produrre solo prodotti di carta carbone sotto forma di fogli;i loro processi di produzione operano in modalità batch, rendendo difficile garantire una qualità costante del prodotto.Il processo di produzione roll-to-roll è un metodo primario per la produzione continua di carta carbone;può essere ampiamente classificato in tre fasi: dispersione e formazione del nastro, impregnazione della resina e pressatura a caldo, carbonizzazione e grafitizzazione.Nella fase di dispersione e formazione della rete, la dispersione uniforme delle fibre di carbonio e la loro successiva formazione in una rete sono fattori critici che influenzano la continuità della produzione.Quanto più tempo è necessario per ottenere una dispersione uniforme delle fibre di carbonio grezze, tanto più complessa tende ad essere l'apparecchiatura di pretrattamento associata;viceversa, quanto più breve è il tempo di dispersione, tanto più compatta potrà essere l'apparecchiatura.Inoltre, poiché il nastro di carta carbone bagnato è privo di forza legante intrinseca ed è soggetto a lacerazioni sotto sollecitazioni meccaniche irregolari, vari collegamenti operativi, tra cui la dispersione delle fibre, la formazione del nastro, la velocità di trasporto del nastro e l'avvolgimento della carta carbone, devono essere coordinati e sincronizzati con precisione per garantire la formazione continua del nastro di carta carbone.Nella fase di impregnazione della resina e pressatura a caldo, il funzionamento coordinato di processi quali il controllo quantitativo dell'assorbimento della resina, l'essiccazione, la pressatura a caldo continua e l'avvolgimento è essenziale per garantire la continuità del processo.Se la velocità di impregnazione supera la velocità di indurimento con pressatura a caldo, il nastro di carta carbone potrebbe assorbire una quantità insufficiente di resina, con conseguente scarsa adesione tra le fibre e la matrice di resina.Al contrario, se il tasso di impregnazione è troppo elevato, la carta carbone potrebbe saturarsi eccessivamente di resina, ostacolando potenzialmente il flusso completo e la distribuzione della resina durante la fase di pressatura a caldo e indurimento.Infine, nella fase di carbonizzazione o grafitizzazione ad alta temperatura, la sincronizzazione tra la velocità di trasporto della carta carbone e il suo tempo di permanenza all'interno delle varie zone termiche del forno ad alta temperatura è il fattore chiave per garantire un funzionamento continuo.

2. Controllo dell'uniformità della qualità del prodotto

La scarsa uniformità della qualità da lotto a lotto è uno dei principali fattori che attualmente ostacolano la sostituzione interna della carta carbone importata.Variazioni significative nelle proprietà, sia tra luoghi diversi all'interno dello stesso lotto di produzione o tra lotti di produzione diversi, possono causare notevoli difficoltà agli utilizzatori a valle.Uno spessore incoerente, ad esempio, porta a deviazioni significative nella densità volumetrica durante l'assemblaggio degli stack di celle a combustibile, influenzando così le proprietà critiche degli elettrodi come la distribuzione dell'acqua e la permeabilità ai gas.Una resistività elettrica incoerente compromette l'integrità strutturale della rete conduttiva all'interno dello strato di diffusione del gas, minando così l'uniformità della distribuzione della densità di corrente.Inoltre, proprietà meccaniche incostanti determinano variazioni significative nella resistenza alla trazione e alla flessione dei diversi fogli di carta carbone, rendendo gli elettrodi suscettibili a danni durante il processo di assemblaggio della pila.Il problema della scarsa uniformità della qualità spesso riscontrato durante la produzione di massa di carta carbone deriva fondamentalmente dalla struttura della rete di carbonio non uniforme e instabile che emerge dopo la carbonizzazione della struttura composita fibra di carbonio-resina.Le cause principali includono probabilmente aggiustamenti ritardati dei parametri di processo in risposta alle fluttuazioni delle proprietà delle materie prime, controllo instabile sulle concentrazioni di disperdenti nella soluzione e variazioni nella concentrazione della soluzione resina-etanolo.

3. Innovazioni ingegneristiche per apparecchiature chiave di base

Le attrezzature per la formatura costituiscono il nucleo tecnologico di tutti i produttori di carta carbone.Attualmente, i ricercatori si avvalgono principalmente dell'esperienza acquisita dalle apparecchiature per la formatura della produzione della carta per ottimizzare e mettere a punto questi sistemi;tuttavia, resta da verificare se queste regolazioni producano risultati di formatura ottimali attraverso la pratica di produzione effettiva.Inoltre, sono necessarie ulteriori attività di ricerca e sviluppo per affrontare le sfide specifiche legate alla formazione di carta carbone monostrato e di grammatura elevata per scenari applicativi specializzati.

Le apparecchiature per l'impregnazione della resina sono un altro componente fondamentale nella produzione continua di carta carbone.Gli attuali sistemi di impregnazione adattano in gran parte le tecnologie di rivestimento sviluppate in settori come la produzione della carta;tuttavia, la sfida tecnica principale nel contesto della carta carbone risiede nel raggiungimento di un'impregnazione della resina precisa e quantitativa, in particolare nel garantire sia un livello di carico di resina uniforme che una distribuzione omogenea in tutto il materiale.In ambienti di laboratorio, la carta carbone impregnata di resina viene generalmente polimerizzata tramite pressatura a caldo utilizzando apparecchiature come vulcanizzatori a letto piano.Tuttavia, portare questo processo alla produzione di massa continua presenta notevoli difficoltà.Di conseguenza, i produttori hanno esplorato l’adozione delle tecniche di pressatura a caldo utilizzate nell’industria della produzione della carta;tuttavia, questo approccio comporta il rischio intrinseco che il contatto della linea tra i due rulli possa potenzialmente strappare la carta carbone.Di conseguenza, l’attenzione si è spostata verso tecnologie alternative, come le presse a caldo a letto piano a passi programmati e le presse a caldo a doppio nastro in acciaio, con queste ultime che offrono livelli particolarmente elevati di precisione di controllo.

Infine, la realizzazione di apparecchiature di carbonizzazione e grafitizzazione continua rappresenta la sfida più significativa.Tali apparecchiature consentono il trattamento termico continuo della carta carbone, garantendo così la stabilità delle sue prestazioni e qualità.I profili di lunghezza e temperatura di questi sistemi di carbonizzazione continua sono determinati in base a vari fattori, tra cui la resistenza alla trazione della carta carbone, i requisiti di tensione e l'abbassamento consentito.Controllando con precisione il processo di riscaldamento, i produttori possono garantire che la carta carbone raggiunga le specifiche prestazionali target durante la fase di carbonizzazione.Nel processo continuo di carbonizzazione e grafitizzazione, il sistema di protezione della cortina di gas funge da componente critico per garantire la qualità della carta carbone.Posizionando le guarnizioni del gas o i dispositivi a cortina di gas su entrambe le estremità del forno, si isola efficacemente l'interno dall'aria ambiente, riducendo così al minimo la corrosione indotta dall'ossigeno sia della camera del forno che della carta carbone.Ciò mantiene un ambiente di lavoro a basso contenuto di ossigeno all'interno del forno, facilitando così la carbonizzazione e la grafitizzazione uniforme della carta carbone.