Carta in fibra di carbonio per celle a combustibile e strato di diffusione del gas (GDL)
La carta in fibra di carbonio è un materiale composito simile alla carta costituito da fibre di carbonio tritate come materia prima, con pasta naturale o sintetica come matrice e integrato con leganti e riempitivi attraverso un processo di fabbricazione della carta. La carta carbone è il substrato principale dello strato di diffusione del gas nelle celle a combustibile. Il processo di trasformazione delle fibre di carbonio in carta carbone è una delle sfide principali nella produzione dello strato di diffusione del gas, poiché richiede che il materiale soddisfi molteplici requisiti prestazionali, tra cui porosità controllabile, eccellente conduttività termica ed elettrica, sufficiente resistenza meccanica, forte idrofobicità ed elevata resistenza alla corrosione.
1. Processo di produzione
I processi di produzione della carta carbone sono suddivisi in processi a umido e a secco. Il processo a umido è una tecnologia matura, utilizzata da produttori comeTorayESGL Carbonio. La carta carbone preparata mediante il processo a umido ha una buona uniformità e una struttura densa ed è il metodo comunemente utilizzato per la carta carbone ad alte prestazioni nelle celle a combustibile all'estero.
Il processo a secco per la preparazione della carta carbone è una tecnologia in rapido sviluppo negli ultimi anni. Questo metodo utilizza l'aria come mezzo, impiegando un processo di formazione del nastro con flusso d'aria per trasformare la carta in una carta di base, seguito da processi successivi come collatura, essiccazione e carbonizzazione. La caratteristica principale della carta carbone è l'alto contenuto di fibra di carbonio e l'elevata resistenza del prodotto.
1. Processo di formatura a secco per la preparazione della carta in fibra di carbonio
La formatura a secco è una tecnologia di produzione della carta in rapido sviluppo negli ultimi anni. Innanzitutto, le fibre di carbonio corte vengono aperte e disperse in fibre singole uniformi. Quindi, utilizzando l'aria come mezzo, viene rapidamente formata una rete per creare la carta di base. Seguono l'incollaggio con un adesivo, la pressatura a caldo, l'indurimento, la carbonizzazione e la grafitizzazione per produrre carta in fibra di carbonio.
Le fibre di carbonio corte utilizzate nel processo di formatura a secco hanno generalmente una lunghezza di 40-50 mm. La carta in fibra di carbonio risultante ha un elevato contenuto di fibra di carbonio, un'elevata resistenza del prodotto ed un'elevata conduttività.
Tuttavia, a causa della maggiore lunghezza delle fibre, le fibre sono difficili da disperdere, si aggrovigliano e si annodano facilmente. La sovrapposizione tra le fibre di carbonio migliora anche l'effetto "ponte", formando una struttura a pori di grandi dimensioni, con conseguente uniformità relativamente scarsa e una struttura allentata nella carta in fibra di carbonio.
2. Processo di formatura a umido per carta in fibra di carbonio
Attualmente, il processo di preparazione più studiato e ampiamente applicato per la carta in fibra di carbonio ad alte prestazioni per PEMFC, sia a livello nazionale che internazionale, è il processo di formatura a umido. Questo processo utilizza l'acqua come mezzo, disperdendo uniformemente fibre di carbonio corte (3-20 mm) di varia lunghezza in acqua.
La carta a base di fibra di carbonio viene quindi rapidamente filtrata sotto vuoto su uno schermo filtrante utilizzando una macchina continua. I processi successivi includono l'impregnazione della resina, la polimerizzazione con pressa a caldo e la carbonizzazione/grafitizzazione per produrre il prodotto finale.
Rispetto alla formatura a secco, la formatura a umido produce carta in fibra di carbonio con densità e uniformità eccellenti, rendendola altamente adatta per la trasformazione in carta in fibra di carbonio specifica per PEMFC.
Inoltre, gli indicatori di prestazione della carta in fibra di carbonio prodotta a livello nazionale e internazionale fanno generalmente riferimento alla serie "TGPH" di carta in fibra di carbonio specifica per PEMFC prodotta da Toray Industries, Inc. del Giappone.
2. Sfide tecniche
La produzione continua di carta carbone deve affrontare numerose sfide ingegneristiche. Garantire una produzione continua e migliorare l'uniformità e la stabilità della qualità del prodotto sono preoccupazioni fondamentali durante la produzione di massa.
Attualmente, la produzione di massa su larga scala di carta carbone è difficile in Cina, principalmente a causa dei complessi processi e delle attrezzature coinvolte nella grafitizzazione e nella post-elaborazione della fibra di carbonio.
1. Coordinamento del processo nella produzione continua roll-to-roll
Alcuni produttori di carta carbone possono produrre solo prodotti di carta carbone simili a fogli, con processi produttivi intermittenti che rendono difficile garantire l’uniformità della qualità del prodotto.
La produzione roll-to-roll è un metodo importante per la produzione continua di carta carbone, che può essere suddivisa in formatura a dispersione, impregnazione con resina e pressatura a caldo, nonché carbonizzazione e grafitizzazione.
Nella fase di formazione della dispersione, la dispersione uniforme delle fibre di carbonio e la formazione del velo sono fattori importanti che influenzano la produzione continua di carta carbone.
Poiché la carta carbone bagnata non ha forza adesiva, è soggetta a lacerarsi se sottoposta a sollecitazioni inconsistenti. Pertanto, diverse fasi come la dispersione delle fibre, la formazione del nastro, la velocità del bianco della carta carbone e l'avvolgimento della carta carbone devono essere coordinate e sincronizzate per garantire la formazione continua della carta carbone.
Durante la fase di impregnazione della resina e di pressatura a caldo, è fondamentale un funzionamento coordinato che includa il controllo della quantità di impregnazione della resina, l'essiccazione della carta carbone, la pressatura a caldo continua e l'avvolgimento della carta carbone.
Durante la fase di carbonizzazione o grafitizzazione ad alta temperatura, il coordinamento tra la velocità di viaggio della carta carbone e il tempo di permanenza all'interno di diversi intervalli di temperatura nel forno ad alta temperatura è fondamentale per il funzionamento continuo.
2. Controllo dell'uniformità della qualità del prodotto
La scarsa uniformità della qualità dei lotti è uno dei principali fattori che limitano l’attuale mancanza di sostituzione nazionale della carta carbone.
Uno spessore incoerente porta a deviazioni nella densità apparente durante l'assemblaggio della pila di fibre di carbonio, influenzando la distribuzione dell'acqua e la permeabilità degli elettrodi.
Una resistività incoerente degrada la struttura della rete conduttiva dello strato di diffusione, influenzando l'uniformità della densità di corrente.
Proprietà meccaniche incoerenti determinano variazioni nella resistenza alla trazione e alla flessione, portando potenzialmente alla rottura dell'elettrodo durante l'impilamento.
Il problema dell’uniformità di scarsa qualità nella produzione di massa di carta carbone è essenzialmente dovuto alla struttura della rete di carbonio non uniforme e instabile dopo la carbonizzazione della struttura composita fibra di carbonio-resina.
3. Innovazioni ingegneristiche per apparecchiature chiave di base
Le apparecchiature di formatura rappresentano la tecnologia principale per i produttori di carta carbone. Sono necessarie ulteriori ricerche per soddisfare i requisiti per la formazione di carta carbone ad alto peso base monostrato per applicazioni specifiche.
Anche le attrezzature per l'impregnazione della resina sono fondamentali nella produzione continua di carta carbone. Una sfida chiave consiste nell’impregnare quantitativamente la resina per garantire un carico di resina uniforme e uniforme.
La pressatura a caldo e la stagionatura continue diventano più difficili nella produzione di massa. Pertanto, le presse a caldo piane a passo programmato e le presse a caldo a doppio nastro hanno attirato l'attenzione.
Le presse a caldo a doppio nastro straniere offrono una maggiore precisione di controllo, mentre le apparecchiature domestiche sono ancora indietro.
Infine, le apparecchiature di carbonizzazione e grafitizzazione continua rappresentano la sfida più grande. Controllando con precisione il processo di riscaldamento, la carta carbone può raggiungere indicatori di prestazione ideali.
Nella carbonizzazione e grafitizzazione continua, il sistema di protezione della barriera d'aria è fondamentale. Installando guarnizioni di tenuta del gas o dispositivi a barriera d'aria su entrambe le estremità del forno, si isola l'aria esterna, si riduce l'erosione dell'ossigeno e si mantiene un ambiente a basso contenuto di ossigeno che favorisce una carbonizzazione e grafitizzazione uniforme.
