Kohlefaserpapier für Brennstoffzellen und Gasdiffusionsschicht (GDL)
Kohlefaserpapier ist ein papierähnlicher Verbundwerkstoff aus gehackten Kohlefasern als Rohmaterial, mit natürlichem oder synthetischem Zellstoff als Matrix und ergänzt durch einen Papierherstellungsprozess mit Bindemitteln und Füllstoffen. Kohlepapier ist das Hauptsubstrat der Gasdiffusionsschicht in Brennstoffzellen. Der Prozess der Umwandlung von Kohlenstofffasern in Kohlenstoffpapier ist eine der zentralen Herausforderungen bei der Herstellung von Gasdiffusionsschichten und erfordert, dass das Material mehrere Leistungsanforderungen erfüllt, darunter kontrollierbare Porosität, ausgezeichnete thermische und elektrische Leitfähigkeit, ausreichende mechanische Festigkeit, starke Hydrophobie und hohe Korrosionsbeständigkeit.
1. Produktionsprozess
Die Produktionsprozesse von Kohlepapier werden in Nass- und Trockenprozesse unterteilt. Das Nassverfahren ist eine ausgereifte Technologie, die von Herstellern wie zTorayUndSGL Carbon. Im Nassverfahren hergestelltes Kohlepapier weist eine gute Gleichmäßigkeit und eine dichte Struktur auf und ist die im Ausland häufig verwendete Methode für Hochleistungs-Kohlepapier in Brennstoffzellen.
Das Trockenverfahren zur Herstellung von Kohlepapier ist eine sich in den letzten Jahren schnell entwickelnde Technologie. Bei dieser Methode wird Luft als Medium verwendet und das Papier mithilfe eines Luftstrom-Bahnbildungsprozesses zu einem Rohpapier verarbeitet, gefolgt von Folgeprozessen wie Leimen, Trocknen und Karbonisieren. Das Hauptmerkmal von Kohlepapier ist sein hoher Kohlefasergehalt und seine hohe Produktfestigkeit.
1. Trockenformverfahren zur Herstellung von Kohlefaserpapier
Die Trockenformung ist eine sich in den letzten Jahren schnell entwickelnde Papierherstellungstechnologie. Zunächst werden kurz geschnittene Kohlenstofffasern geöffnet und in gleichmäßige Einzelfasern verteilt. Dann wird unter Verwendung von Luft als Medium schnell eine Bahn geformt, um das Basispapier herzustellen. Anschließend erfolgt die Verklebung mit einem Klebstoff, das Heißpressen, die Aushärtung, die Karbonisierung und die Graphitisierung zur Herstellung von Kohlefaserpapier.
Die im Trockenformungsprozess verwendeten kurzgeschnittenen Kohlenstofffasern haben typischerweise eine Länge von 40–50 mm. Das resultierende Kohlefaserpapier weist einen hohen Kohlefasergehalt, eine hohe Produktfestigkeit und eine hohe Leitfähigkeit auf.
Aufgrund der längeren Faserlänge lassen sich die Fasern jedoch nur schwer verteilen und verheddern und verknoten sich leicht. Die Überlappung zwischen Kohlenstofffasern verstärkt auch den „Brückeneffekt“ und bildet eine großporige Struktur, was zu einer relativ schlechten Gleichmäßigkeit und einer lockeren Struktur im Kohlenstofffaserpapier führt.
2. Nassformungsprozess für Kohlefaserpapier
Derzeit ist das Nassformverfahren sowohl im Inland als auch international das am besten erforschte und am weitesten verbreitete Verfahren zur Herstellung von Hochleistungs-Carbonfaserpapier für PEMFCs. Bei diesem Verfahren wird Wasser als Medium verwendet, um kurzgeschnittene Kohlenstofffasern (3–20 mm) unterschiedlicher Länge gleichmäßig im Wasser zu verteilen.
Anschließend wird das Kohlefaser-Rohpapier mithilfe einer Papiermaschine auf einem Filtersieb schnell vakuumfiltriert. Nachfolgende Prozesse umfassen Harzimprägnierung, Heißpresshärtung und Karbonisierung/Graphitisierung, um das Endprodukt herzustellen.
Im Vergleich zur Trockenformung erzeugt die Nassformung Kohlefaserpapier mit ausgezeichneter Dichte und Gleichmäßigkeit, wodurch es sich hervorragend für die Verarbeitung zu PEMFC-spezifischem Kohlefaserpapier eignet.
Darüber hinaus beziehen sich die Leistungsindikatoren von im In- und Ausland hergestelltem Kohlefaserpapier im Allgemeinen auf die „TGPH“-Serie von PEMFC-spezifischem Kohlefaserpapier, hergestellt von Toray Industries, Inc. aus Japan.
2. Technische Herausforderungen
Die kontinuierliche Produktion von Kohlepapier steht vor zahlreichen technischen Herausforderungen. Die Sicherstellung einer kontinuierlichen Produktion und die Verbesserung der Gleichmäßigkeit und Stabilität der Produktqualität sind zentrale Anliegen bei der Massenproduktion.
Derzeit ist die Massenproduktion von Kohlepapier in großem Maßstab in China schwierig, vor allem aufgrund der komplexen Prozesse und Geräte, die bei der Graphitierung und Nachbearbeitung von Kohlefasern erforderlich sind.
1. Prozesskoordination in der kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Produktion
Einige Hersteller von Kohlepapier können nur blattförmige Kohlepapierprodukte herstellen, wobei intermittierende Produktionsprozesse es schwierig machen, eine gleichmäßige Produktqualität zu gewährleisten.
Die Rolle-zu-Rolle-Produktion ist ein wichtiges Verfahren zur kontinuierlichen Kohlepapierproduktion, das in Dispersionsformen, Harzimprägnierung und Heißpressen sowie Carbonisierung und Graphitierung unterteilt werden kann.
In der Phase der Dispersionsbildung sind die gleichmäßige Verteilung der Kohlenstofffasern und die Bahnbildung wichtige Faktoren, die die kontinuierliche Produktion von Kohlenstoffpapier beeinflussen.
Da der nasse Kohlepapierzuschnitt keine Haftkraft besitzt, neigt er bei ungleichmäßiger Beanspruchung zum Reißen. Daher müssen verschiedene Phasen wie Faserverteilung, Bahnbildung, Geschwindigkeit des Kohlepapierzuschnitts und Kohlepapieraufwicklung koordiniert und synchronisiert werden, um eine kontinuierliche Kohlepapierbildung sicherzustellen.
Während der Phase der Harzimprägnierung und des Heißpressens ist ein koordinierter Vorgang einschließlich der Kontrolle der Harzimprägnierungsmenge, der Trocknung des Kohlepapiers, des kontinuierlichen Heißpressens und des Aufwickelns des Kohlepapiers von entscheidender Bedeutung.
Während der Hochtemperatur-Karbonisierungs- oder Graphitisierungsstufe ist die Abstimmung zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit des Kohlepapiers und der Verweilzeit innerhalb verschiedener Temperaturbereiche im Hochtemperaturofen für den kontinuierlichen Betrieb von entscheidender Bedeutung.
2. Kontrolle der Produktqualität
Eine schlechte Gleichmäßigkeit der Chargenqualität ist einer der Hauptfaktoren, die den derzeitigen Mangel an inländischer Substitution für Kohlepapier einschränken.
Eine inkonsistente Dicke führt zu Abweichungen in der Schüttdichte beim Zusammenbau des Kohlefaserstapels und beeinträchtigt die Wasserverteilung und Durchlässigkeit der Elektroden.
Ein inkonsistenter spezifischer Widerstand verschlechtert die leitfähige Netzwerkstruktur der Diffusionsschicht und beeinträchtigt die Gleichmäßigkeit der Stromdichte.
Inkonsistente mechanische Eigenschaften führen zu Schwankungen der Zug- und Biegefestigkeit, was möglicherweise zum Bruch der Elektrode beim Stapeln führen kann.
Das Problem der schlechten Gleichmäßigkeit der Qualität bei der Massenproduktion von Kohlepapier ist im Wesentlichen auf die ungleichmäßige und instabile Kohlenstoffnetzwerkstruktur nach der Karbonisierung der Kohlenstofffaser-Harz-Verbundstruktur zurückzuführen.
3. Technische Durchbrüche für wichtige Kerngeräte
Formanlagen sind die Kerntechnologie für Hersteller von Kohlepapier. Weitere Forschung ist erforderlich, um die Anforderungen für die Bildung von einschichtigem Kohlepapier mit hohem Flächengewicht für bestimmte Anwendungen zu erfüllen.
Auch bei der kontinuierlichen Herstellung von Kohlepapier sind Anlagen zur Harzimprägnierung von entscheidender Bedeutung. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, das Harz quantitativ zu imprägnieren, um eine gleichmäßige und gleichmäßige Harzbeladung zu gewährleisten.
Kontinuierliches Heißpressen und Aushärten wird in der Massenproduktion schwieriger. Daher haben programmierte Flachbett-Heißpressen und Doppelband-Heißpressen vom Stufentyp an Aufmerksamkeit gewonnen.
Ausländische Doppelband-Heißpressen bieten eine höhere Steuerungspräzision, während inländische Geräte noch hinterherhinken.
Schließlich stellen kontinuierliche Karbonisierungs- und Graphitisierungsanlagen die größte Herausforderung dar. Durch die präzise Steuerung des Erhitzungsprozesses kann Kohlepapier ideale Leistungsindikatoren erreichen.
Bei der kontinuierlichen Karbonisierung und Graphitisierung ist das Luftschleier-Schutzsystem von entscheidender Bedeutung. Durch die Installation von Gasdichtungen oder Luftschleiervorrichtungen an beiden Enden des Ofens wird die Außenluft isoliert, die Sauerstofferosion reduziert und eine sauerstoffarme Umgebung aufrechterhalten, die eine gleichmäßige Karbonisierung und Graphitisierung begünstigt.
