Papel de Fibra de Carbono para Pilas de Combustible y Capa de Difusión de Gas (GDL)
El papel de fibra de carbono es un material compuesto similar al papel elaborado a partir de fibras de carbono picadas como materia prima, con pulpa natural o sintética como matriz y complementado con aglutinantes y cargas mediante un proceso de fabricación de papel. El papel carbón es el sustrato principal de la capa de difusión de gas en las pilas de combustible. El proceso de convertir fibras de carbono en papel carbón es uno de los principales desafíos en la producción de capas de difusión de gas, ya que requiere que el material cumpla múltiples requisitos de rendimiento, incluida la porosidad controlable, excelente conductividad térmica y eléctrica, suficiente resistencia mecánica, fuerte hidrofobicidad y alta resistencia a la corrosión.
1. Proceso de producción
Los procesos de producción de papel carbón se dividen en procesos húmedos y secos. El proceso húmedo es una tecnología madura, utilizada por fabricantes comotorayyCarbono SGL. El papel carbón preparado mediante el proceso húmedo tiene buena uniformidad y una estructura densa, y es el método comúnmente utilizado para el papel carbón de alto rendimiento en celdas de combustible en el extranjero.
El proceso en seco para preparar papel carbón es una tecnología que se está desarrollando rápidamente en los últimos años. Este método utiliza aire como medio, empleando un proceso de formación de banda de flujo de aire para procesar el papel hasta convertirlo en un papel base, seguido de procesos posteriores como apresto, secado y carbonización. La característica clave del papel carbón es su alto contenido de fibra de carbono y su alta resistencia.
1. Proceso de conformado en seco para preparar papel de fibra de carbono
El conformado en seco es una tecnología de fabricación de papel que se está desarrollando rápidamente en los últimos años. Primero, las fibras de carbono cortadas se abren y se dispersan en fibras individuales uniformes. Luego, utilizando aire como medio, se forma rápidamente una red para crear el papel base. A esto le sigue la unión con un adhesivo, prensado en caliente, curado, carbonización y grafitización para producir papel de fibra de carbono.
Las fibras de carbono cortas utilizadas en el proceso de conformado en seco suelen tener entre 40 y 50 mm de longitud. El papel de fibra de carbono resultante tiene un alto contenido de fibra de carbono, una alta resistencia del producto y una alta conductividad.
Sin embargo, debido a la mayor longitud de las fibras, las fibras son difíciles de dispersar, se enredan y anudan fácilmente. La superposición entre fibras de carbono también mejora el efecto de "puente", formando una estructura de poros grandes, lo que da como resultado una uniformidad relativamente pobre y una estructura suelta en el papel de fibra de carbono.
2. Proceso de conformado en húmedo para papel de fibra de carbono
Actualmente, el proceso de preparación de papel de fibra de carbono de alto rendimiento para PEMFC más investigado y aplicado, tanto a nivel nacional como internacional, es el proceso de conformado en húmedo. Este proceso utiliza agua como medio, dispersando uniformemente fibras de carbono de corte corto (3-20 mm) de diferentes longitudes en agua.
Luego, el papel base de fibra de carbono se filtra rápidamente al vacío en una malla filtrante utilizando una máquina de papel. Los procesos posteriores incluyen impregnación de resina, curado por prensado en caliente y carbonización/grafitización para producir el producto final.
En comparación con el conformado en seco, el conformado en húmedo produce papel de fibra de carbono con excelente densidad y uniformidad, lo que lo hace muy adecuado para procesarlo en papel de fibra de carbono específico para PEMFC.
Además, los indicadores de rendimiento del papel de fibra de carbono producido a nivel nacional e internacional generalmente se refieren a la serie "TGPH" de papel de fibra de carbono específico para PEMFC fabricado por Toray Industries, Inc. de Japón.
2. Desafíos técnicos
La producción continua de papel carbón enfrenta numerosos desafíos de ingeniería. Garantizar una producción continua y mejorar la uniformidad y estabilidad de la calidad del producto son preocupaciones clave durante la producción en masa.
Actualmente, la producción en masa a gran escala de papel carbón es difícil en China, principalmente debido a los complejos procesos y equipos involucrados en la grafitización y el posprocesamiento de la fibra de carbono.
1. Coordinación de procesos en producción continua rollo a rollo
Algunos fabricantes de papel carbón solo pueden producir productos de papel carbón en forma de hojas, con procesos de producción intermitentes que dificultan garantizar la uniformidad de la calidad del producto.
La producción rollo a rollo es un método importante para la producción continua de papel carbón, que se puede dividir en formación de dispersión, impregnación de resina y prensado en caliente, y carbonización y grafitización.
En la etapa de formación de la dispersión, la dispersión uniforme de las fibras de carbono y la formación de la red son factores importantes que afectan la producción continua de papel carbón.
Dado que el papel carbón húmedo no tiene fuerza adhesiva, es propenso a romperse cuando se somete a una tensión inconsistente. Por lo tanto, es necesario coordinar y sincronizar diferentes etapas, como la dispersión de la fibra, la formación de la banda, la velocidad del papel carbón en blanco y el bobinado del papel carbón, para garantizar una formación continua del papel carbón.
Durante la etapa de impregnación de resina y prensado en caliente, es crucial la operación coordinada que incluye el control de la cantidad de impregnación de resina, el secado del papel carbón, el prensado continuo en caliente y el bobinado del papel carbón.
Durante la etapa de carbonización o grafitización a alta temperatura, la coordinación entre la velocidad de desplazamiento del papel carbón y el tiempo de residencia dentro de diferentes rangos de temperatura en el horno de alta temperatura es clave para el funcionamiento continuo.
2. Control de uniformidad de la calidad del producto
La escasa uniformidad de la calidad de los lotes es uno de los principales factores que limitan la actual falta de sustitución nacional del papel carbón.
Un espesor inconsistente provoca desviaciones en la densidad aparente durante el ensamblaje de la pila de fibra de carbono, lo que afecta la distribución del agua y la permeabilidad de los electrodos.
La resistividad inconsistente degrada la estructura de la red conductora de la capa de difusión, lo que afecta la uniformidad de la densidad de corriente.
Las propiedades mecánicas inconsistentes dan como resultado variaciones en la resistencia a la tracción y a la flexión, lo que puede provocar la rotura de los electrodos durante el apilamiento.
El problema de la mala uniformidad de la calidad en la producción en masa de papel carbón se debe esencialmente a la estructura de la red de carbono no uniforme e inestable después de la carbonización de la estructura compuesta de fibra de carbono y resina.
3. Avances en ingeniería para equipos centrales clave
Los equipos de conformado son la tecnología central para los fabricantes de papel carbón. Se necesita más investigación para cumplir con los requisitos para formar papel carbón de una sola capa con alto gramaje para aplicaciones específicas.
El equipo de impregnación de resina también es crucial en la producción continua de papel carbón. Un desafío clave radica en impregnar cuantitativamente la resina para garantizar una carga de resina uniforme y uniforme.
El prensado en caliente y el curado continuos se vuelven más difíciles en la producción en masa. Por lo tanto, han llamado la atención las prensas en caliente de plataforma plana de tipo escalonado programadas y las prensas en caliente de doble correa.
Las prensas en caliente extranjeras de doble correa ofrecen una mayor precisión de control, mientras que los equipos nacionales todavía se quedan atrás.
Finalmente, los equipos de carbonización y grafitización continua presentan el mayor desafío. Al controlar con precisión el proceso de calentamiento, el papel carbón puede lograr indicadores de rendimiento ideales.
En la carbonización y grafitización continua, el sistema de protección de la cortina de aire es crucial. Al instalar sellos de gas o dispositivos de cortina de aire en ambos extremos del horno, se aísla el aire exterior, se reduce la erosión por oxígeno y se mantiene un ambiente bajo en oxígeno propicio para una carbonización y grafitización uniformes.
