Kohlepapier – ein Kernmaterial im Wasserstoff-Energiesektor

Da sich der Wandel der globalen Energiestruktur immer weiter vertieft, hat die Forschung zu neuen Energietechnologien rasche Fortschritte gemacht.Wasserstoffenergie – eine saubere, effiziente und praktisch CO2-freie Energielösung – trägt dazu bei, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und die Treibhausgasemissionen zu senken;Folglich ist es äußerst vielversprechend sowohl für den Strukturwandel im Energiebereich als auch für die Eindämmung des Klimawandels.Aufgrund der Fortschritte bei den Technologien zur Wasserstoffproduktion, -speicherung und -nutzung sind die Kosten für Wasserstoffenergie schrittweise gesunken, während sich ihr Anwendungsbereich erweitert hat, was sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil beim Aufbau einer kohlenstoffarmen Gesellschaft macht.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) stellen eine der Kerntechnologien für die Wasserstoffnutzung dar.Durch elektrochemische Reaktionen wandeln sie Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie, Wasser und Wärme um.Dieser gesamte Prozess ist hocheffizient und erzeugt praktisch keine Schadstoffemissionen, wodurch er für ein breites Anwendungsspektrum geeignet ist – von tragbaren Stromquellen bis hin zu großen stationären Kraftwerken. Die Gasdiffusionsschicht (GDL) ist eine kritische Komponente innerhalb einer PEMFC;Es erleichtert nicht nur die gleichmäßige Verteilung der Reaktionsgase über die Elektrodenoberfläche, sondern ist auch für das Ausstoßen von erzeugtem Wasser sowie die Leitung von Elektronen und Wärme verantwortlich.Eine GDL besteht typischerweise aus einem porösen, leitfähigen Grundsubstrat und einer mikroporösen Schicht.Aufgrund seiner außergewöhnlichen elektrischen Leitfähigkeit, gleichmäßigen Porenstruktur und robusten mechanischen Eigenschaften hat sich Kohlefaserpapier (im Folgenden als „Kohlepapier“ bezeichnet) als bevorzugtes Substratmaterial für GDLs herausgestellt.

Kohlefaserpapier (oder „Kohlepapier“) ist ein papierähnliches Verbundmaterial, das im Papierherstellungsverfahren hergestellt wird;es wird daraus hergestellt gehackte Kohlenstofffasern,Verwendung von natürlichem oder synthetischem Zellstoff als Matrix und ergänzt mit Bindemitteln und Füllstoffen.Kohlepapier dient als primäres Substrat für die Gasdiffusionsschichten in Brennstoffzellen.Der Prozess der Umwandlung von Kohlenstofffasern in Kohlenstoffpapier stellt eine der zentralen technischen Herausforderungen bei der GDL-Herstellung dar, da das resultierende Material eine Vielzahl von Leistungsanforderungen erfüllen muss: kontrollierbare Porosität, ausgezeichnete thermische und elektrische Leitfähigkeit, ausreichende mechanische Festigkeit, starke Hydrophobie und hohe Korrosionsbeständigkeit.

Der heimische Markt für Kohlepapier bleibt jedoch weitgehend von einer Handvoll ausländischer Unternehmen monopolisiert.Die heimische Produktion ist in hohem Maße auf die Weiterverarbeitung importierter Rohstoffe angewiesen;Folglich werden sowohl die Preisgestaltung als auch das Produktionsvolumen erheblich durch die Rohstoffverfügbarkeit eingeschränkt, was zu einem niedrigen Kosten-Leistungs-Verhältnis führt.Die begrenzte inländische Produktionskapazität reicht nicht aus, um die steigende Marktnachfrage der Brennstoffzellenindustrie meines Landes zu decken, wodurch – bis zu einem gewissen Grad – die unabhängige und einheimische Entwicklung der Wasserstoffenergie- und Brennstoffzellensektoren des Landes behindert wird.

01 Produktionsprozess

Bei den Herstellungsverfahren für Kohlepapier wird zwischen dem Nassverfahren und dem Trockenverfahren unterschieden.Die Nassmethode gilt als ausgereifte Technologie und wird von Herstellern wie Toray und SGL Carbon häufig eingesetzt.Im Nassverfahren hergestelltes Kohlepapier weist eine hervorragende Gleichmäßigkeit und eine dichte Struktur auf;Daher ist es weltweit die allgemein anerkannte Methode zur Herstellung von Hochleistungs-Kohlepapier für Brennstoffzellen.Das Trockenverfahren zur Kohlepapierherstellung hingegen ist eine Technologie, die sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt hat.Als Medium dient bei dieser Methode Luft;Gehackte Kohlenstofffasern werden mithilfe einer Air-Laid-Vliesbildungstechnik zu einer Basisfolie verarbeitet, gefolgt von weiteren Verarbeitungsschritten wie dem Auftragen von Bindemittel, dem Trocknen und der Karbonisierung.Die Hauptmerkmale des mit dieser Methode hergestellten Kohlepapiers sind sein hoher Kohlefasergehalt und die überlegene Produktfestigkeit.

1. Trockenformung für die Herstellung von Kohlefaserpapier

Die Trockenformung ist eine Papierherstellungstechnologie, die in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung erlebt hat.Der Prozess beginnt mit dem Öffnen und Zerstreuengehackte Kohlenstofffasernin einheitliche Einzelstränge.Unter Verwendung von Luft als Medium werden diese Fasern dann mithilfe einer Luftlegetechnik schnell zu einem Vlies geformt, um eine Basisfolie herzustellen.Auf dieses Basisblatt wird anschließend ein Bindemittel aufgetragen, es wird durch Heißpressen ausgehärtet und es wird karbonisiert/graphitiert, um das endgültige Kohlefaserpapier zu erhalten.Während des Trockenlegeverfahrens haben die geschnittenen Kohlenstofffasern typischerweise eine Länge von 40 bis 50 mm.Das resultierende Kohlefaserpapier zeichnet sich durch einen hohen Kohlefaseranteil, eine hohe Produktfestigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aus.Aufgrund der relativ langen Länge der Kohlenstofffasern neigen sie jedoch zu einer schlechten Verteilung – oft verheddern oder verknoten sie sich.Darüber hinaus verstärkt die großflächige Überlappung der Fasern den „Brückeneffekt“ und führt zur Bildung großer Porenstrukturen;Folglich neigt das resultierende Kohlefaserpapier dazu, eine relativ schlechte Gleichmäßigkeit und eine lockere Struktur aufzuweisen.

2. Nassformung für die Herstellung von Kohlefaserpapier

Derzeit ist das Nassformungsverfahren sowohl im Inland als auch international die am umfassendsten erforschte und am weitesten verbreitete Produktionsmethode zur Herstellung von Hochleistungs-Kohlefaserpapier für den Einsatz in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs).Als Medium dient dabei Wasser;Gehackte Kohlenstofffasern unterschiedlicher Länge (typischerweise 3 bis 20 mm) werden gleichmäßig im Wasser verteilt.Dann wird eine Papiermaschine verwendet, um diese Suspension schnell durch Vakuum auf ein Drahtsieb zu filtrieren und so eine Kohlenstofffaser-Basisschicht zu bilden.Anschließend durchläuft dieses Basisblatt eine Reihe von Nachbearbeitungsschritten – einschließlich Harzimprägnierung, Heißpresshärtung und Karbonisierung/Graphitisierung –, um das endgültige Kohlefaserpapierprodukt herzustellen.Im Vergleich zu Trockenformungsverfahren weist durch Nassformung hergestelltes Kohlefaserpapier eine höhere Dichte und Gleichmäßigkeit auf und eignet sich daher hervorragend für die Verarbeitung zu Kohlefaserpapier, das speziell für PEMFCs entwickelt wurde.Daher wird sich die anschließende Diskussion vor allem darauf konzentrieren, einen detaillierten Überblick über den Nassumformprozess zu geben.Darüber hinaus werden die Leistungskennzahlen von im In- und Ausland hergestelltem Kohlefaserpapier im Allgemeinen mit der „TGPH“-Serie verglichen – einer Reihe von PEMFC-spezifischen Kohlefaserpapieren, die von Toray Industries (Japan) hergestellt werden.

02 Technische Herausforderungen

Bei der kontinuierlichen Produktion von Kohlepapier stehen Hersteller vor einer Vielzahl ingenieurtechnischer Herausforderungen.Die Sicherstellung der Prozesskontinuität sowie die Verbesserung der Einheitlichkeit und Stabilität der Produktqualität stehen bei der Massenproduktion im Vordergrund.Derzeit bleibt die Erreichung einer groß angelegten Massenproduktion von Kohlepapier in China eine Herausforderung, vor allem aufgrund von Einschränkungen durch komplexe Verarbeitungstechniken – wie Graphitierung und Nachbehandlung von Kohlefasern – sowie Problemen im Zusammenhang mit der Produktionsausrüstung.

1. Prozesskoordination in der kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Produktion

Einige Hersteller von Kohlepapier beschränken sich derzeit auf die Herstellung ausschließlich blattförmiger Kohlepapierprodukte.Ihre Produktionsprozesse laufen im Batch-Modus ab, was es schwierig macht, eine gleichbleibende Produktqualität zu gewährleisten.Der Rolle-zu-Rolle-Herstellungsprozess ist ein primäres Verfahren zur kontinuierlichen Produktion von Kohlepapier;Es lässt sich grob in drei Phasen einteilen: Dispergierung und Netzbildung, Harzimprägnierung und Heißpressen sowie Karbonisierung und Graphitisierung.In der Phase der Dispergierung und Vliesbildung sind die gleichmäßige Verteilung der Kohlenstofffasern und ihre anschließende Bildung eines Vlieses entscheidende Faktoren, die die Kontinuität der Produktion beeinflussen.Je länger es dauert, eine gleichmäßige Verteilung der rohen Kohlenstofffasern zu erreichen, desto komplexer sind tendenziell die zugehörigen Vorbehandlungsgeräte.Umgekehrt gilt: Je kürzer die Dispergierzeit, desto kompakter kann das Gerät sein.Da es der nassen Kohlepapierbahn außerdem an inhärenter Bindungsfestigkeit mangelt und sie bei ungleichmäßiger mechanischer Beanspruchung zum Reißen neigt, müssen verschiedene betriebliche Zusammenhänge – einschließlich Faserverteilung, Bahnbildung, Bahntransportgeschwindigkeit und Kohlepapieraufwicklung – präzise koordiniert und synchronisiert werden, um die kontinuierliche Bildung der Kohlepapierbahn sicherzustellen.In der Phase der Harzimprägnierung und des Heißpressens ist der koordinierte Ablauf von Prozessen wie der quantitativen Kontrolle der Harzaufnahme, der Trocknung, dem kontinuierlichen Heißpressen und dem Aufwickeln von entscheidender Bedeutung, um die Prozesskontinuität sicherzustellen.Wenn die Imprägnierungsrate die Aushärtungsrate beim Heißpressen übersteigt, absorbiert die Kohlepapierbahn möglicherweise nicht genügend Harz, was zu einer schlechten Haftung zwischen den Fasern und der Harzmatrix führt.Wenn umgekehrt die Imprägnierungsrate zu hoch ist, kann das Kohlepapier mit Harz übersättigt werden, was möglicherweise den vollständigen Fluss und die Verteilung des Harzes während der Heißpress- und Aushärtungsphase behindert.In der Hochtemperaturkarbonisierung bzw. -graphitisierung schließlich ist die Synchronisation zwischen der Transportgeschwindigkeit des Kohlepapiers und seiner Verweilzeit in den verschiedenen Temperaturzonen des Hochtemperaturofens der entscheidende Faktor für die Gewährleistung eines kontinuierlichen Betriebs.

2. Kontrolle der Gleichmäßigkeit der Produktqualität

Die mangelnde Gleichmäßigkeit der Qualität von Charge zu Charge ist einer der Hauptfaktoren, die derzeit die Substitution von importiertem Kohlepapier im Inland behindern.Erhebliche Unterschiede in den Eigenschaften – sei es zwischen verschiedenen Standorten innerhalb derselben Produktionscharge oder zwischen verschiedenen Produktionschargen – können für nachgeschaltete Anwender erhebliche Schwierigkeiten verursachen.Beispielsweise führt eine inkonsistente Dicke zu erheblichen Abweichungen in der Volumendichte beim Zusammenbau von Brennstoffzellenstapeln und beeinträchtigt dadurch kritische Elektrodeneigenschaften wie Wasserverteilung und Gasdurchlässigkeit.Ein inkonsistenter elektrischer Widerstand beeinträchtigt die strukturelle Integrität des leitenden Netzwerks innerhalb der Gasdiffusionsschicht und untergräbt dadurch die Gleichmäßigkeit der Stromdichteverteilung.Darüber hinaus führen inkonsistente mechanische Eigenschaften zu erheblichen Schwankungen der Zug- und Biegefestigkeit verschiedener Kohlepapierblätter, wodurch die Elektroden während des Stapelmontageprozesses anfällig für Beschädigungen werden.Das bei der Massenproduktion von Kohlepapier häufig auftretende Problem der schlechten Gleichmäßigkeit der Qualität ist im Wesentlichen auf die ungleichmäßige und instabile Kohlenstoffnetzwerkstruktur zurückzuführen, die nach der Karbonisierung der Kohlenstofffaser-Harz-Verbundstruktur entsteht.Zu den Hauptursachen gehören wahrscheinlich verzögerte Anpassungen der Prozessparameter als Reaktion auf Schwankungen der Rohstoffeigenschaften, eine instabile Kontrolle der Dispergiermittelkonzentrationen in der Lösung und Schwankungen in der Konzentration der Harz-Ethanol-Lösung.

3. Technische Durchbrüche für wichtige Kerngeräte

Formanlagen bilden den technologischen Kern aller Kohlepapierhersteller.Zur Optimierung und Feinabstimmung dieser Systeme greifen Forscher derzeit vor allem auf die Erfahrungen mit Papierherstellungsmaschinen zurück;Ob diese Anpassungen jedoch zu optimalen Umformergebnissen führen, muss jedoch noch durch die tatsächliche Produktionspraxis validiert werden.Darüber hinaus ist weitere intensive Forschung und Entwicklung erforderlich, um die spezifischen Herausforderungen bei der Bildung von einschichtigem Kohlepapier mit hohem Flächengewicht für spezielle Anwendungsszenarien zu bewältigen.

Harzimprägnieranlagen sind eine weitere wichtige Komponente bei der kontinuierlichen Produktion von Kohlepapier.Aktuelle Imprägniersysteme adaptieren weitgehend Beschichtungstechnologien, die in Branchen wie der Papierherstellung entwickelt wurden;Die größte technische Herausforderung im Zusammenhang mit Kohlepapier besteht jedoch darin, eine präzise, ​​quantitative Harzimprägnierung zu erreichen – insbesondere eine gleichmäßige Harzbeladung und eine homogene Verteilung im gesamten Material sicherzustellen.In Laborumgebungen wird harzimprägniertes Kohlepapier typischerweise durch Heißpressen mit Geräten wie Flachbettvulkanisatoren ausgehärtet.Die Skalierung dieses Prozesses auf eine kontinuierliche Massenproduktion bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten.Aus diesem Grund haben Hersteller versucht, die in der Papierherstellungsindustrie eingesetzten Heißwalzenpresstechniken zu übernehmen.Dieser Ansatz birgt jedoch das Risiko, dass der Linienkontakt zwischen den beiden Walzen möglicherweise das Kohlepapier zerreißen könnte.Infolgedessen hat sich die Aufmerksamkeit auf alternative Technologien verlagert – etwa programmierte Flachbett-Heißpressen und Doppelstahlband-Heißpressen – wobei letztere ein besonders hohes Maß an Steuerungspräzision bieten.

Schließlich stellt der Bau von kontinuierlichen Karbonisierungs- und Graphitisierungsanlagen die größte Herausforderung dar.Solche Geräte ermöglichen die kontinuierliche thermische Behandlung von Kohlepapier und gewährleisten so die Stabilität seiner Leistung und Qualität.Die Längen- und Temperaturprofile dieser kontinuierlichen Karbonisierungssysteme werden auf der Grundlage verschiedener Faktoren bestimmt, einschließlich der Zugfestigkeit des Kohlepapiers, der Spannungsanforderungen und des zulässigen Durchhangs.Durch die präzise Steuerung des Erhitzungsprozesses können Hersteller sicherstellen, dass das Kohlepapier während der Karbonisierungsphase seine angestrebten Leistungsspezifikationen erreicht.Im kontinuierlichen Karbonisierungs- und Graphitisierungsprozess dient das Gasvorhang-Schutzsystem als entscheidende Komponente zur Sicherung der Qualität des Kohlepapiers.Durch die Positionierung von Gasdichtungen oder Gasvorhangvorrichtungen an beiden Enden des Ofens wird der Innenraum effektiv von der Umgebungsluft isoliert und so die durch Sauerstoff verursachte Korrosion sowohl der Ofenkammer als auch des Kohlepapiers minimiert.Dies sorgt für eine sauerstoffarme Arbeitsumgebung im Ofen und erleichtert so die gleichmäßige Karbonisierung und Graphitisierung des Kohlepapiers.