ورق الكربون – مادة أساسية في قطاع الطاقة الهيدروجينية

مع استمرار تعميق التحول في هيكل الطاقة العالمي، شهدت الأبحاث في مجال تقنيات الطاقة الجديدة تقدمًا سريعًا.تساعد الطاقة الهيدروجينية - وهي حل طاقة نظيف وفعال وخالي من انبعاثات الكربون تقريبًا - على تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وخفض انبعاثات الغازات الدفيئة؛وبالتالي، فهو يحمل وعدًا هائلاً لكل من التحول الهيكلي للطاقة والتخفيف من آثار تغير المناخ.وبفضل التقدم في تقنيات إنتاج وتخزين واستخدام الهيدروجين، انخفضت تكلفة الطاقة الهيدروجينية تدريجيا في حين توسع نطاق تطبيقها، مما يجعلها عنصرا لا غنى عنه في بناء مجتمع منخفض الكربون.

تمثل خلايا الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني (PEMFCs) إحدى التقنيات الأساسية لاستخدام الهيدروجين.ومن خلال التفاعلات الكهروكيميائية، تقوم بتحويل الهيدروجين والأكسجين إلى طاقة كهربائية وماء وحرارة.تتميز هذه العملية برمتها بكفاءة عالية ولا تولد أي انبعاثات ملوثة تقريبًا، مما يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات - بدءًا من مصادر الطاقة المحمولة وحتى محطات الطاقة الثابتة واسعة النطاق. تعد طبقة انتشار الغاز (GDL) مكونًا حاسمًا داخل PEMFC؛فهو لا يسهل التوزيع الموحد للغازات المتفاعلة عبر سطح القطب فحسب، بل إنه مسؤول أيضًا عن طرد الماء المتولد وتوصيل الإلكترونات والحرارة.يتكون GDL عادةً من ركيزة مسامية وموصلة وطبقة صغيرة يسهل اختراقها.نظرًا للتوصيل الكهربائي الاستثنائي، وبنية المسام الموحدة، والخواص الميكانيكية القوية، فقد برز ورق ألياف الكربون (المشار إليه فيما يلي باسم "ورق الكربون") باعتباره المادة الأساسية المفضلة لـ GDLs.

ورق ألياف الكربون (أو "ورق الكربون") عبارة عن مادة مركبة تشبه الورق يتم تصنيعها باستخدام عملية صناعة الورق؛يتم إنتاجه من ألياف الكربون المفرومة,استخدام اللب الطبيعي أو الاصطناعي كمصفوفة، ومكملاً بالمواد الرابطة والحشو.يعمل ورق الكربون بمثابة الركيزة الأساسية لطبقات انتشار الغاز في خلايا الوقود.تشكل عملية تحويل ألياف الكربون إلى ورق كربون أحد التحديات التقنية الأساسية في تصنيع GDL، حيث يجب أن تلبي المادة الناتجة عددًا كبيرًا من متطلبات الأداء: مسامية يمكن التحكم فيها، توصيل حراري وكهربائي ممتاز، قوة ميكانيكية كافية، مقاومة قوية للماء، ومقاومة عالية للتآكل.

ومع ذلك، لا تزال السوق المحلية لورق الكربون محتكرة إلى حد كبير من قبل حفنة من الشركات الأجنبية.يعتمد الإنتاج المحلي بشكل كبير على المعالجة الثانوية للمواد الخام المستوردة؛وبالتالي، فإن كلا من التسعير وحجم الإنتاج مقيدان بشكل كبير بتوافر المواد الخام، مما يؤدي إلى انخفاض نسبة التكلفة إلى الأداء.إن القدرة الإنتاجية المحلية المحدودة غير كافية لتلبية الطلب المتزايد في السوق من صناعة خلايا الوقود في بلدي، مما يعيق - إلى حد ما - التنمية المستقلة والمحلية لقطاعي الطاقة الهيدروجينية وخلايا الوقود في البلاد.

01 عملية الإنتاج

فيما يتعلق بعمليات إنتاج ورق الكربون، يتم التمييز بين الطريقة الرطبة والطريقة الجافة.تعتبر الطريقة الرطبة تقنية ناضجة، ويستخدم المصنعون مثل Toray وSGL Carbon هذا الأسلوب على نطاق واسع.يُظهر ورق الكربون المُنتج بالطريقة الرطبة تجانسًا ممتازًا وبنية كثيفة؛وبالتالي، فهي الطريقة المعتمدة عالميًا لتصنيع ورق الكربون عالي الأداء لخلايا الوقود على المستوى الدولي.وعلى العكس من ذلك، فإن الطريقة الجافة لإنتاج ورق الكربون هي تقنية تطورت بسرعة في السنوات الأخيرة.في هذه الطريقة، يعمل الهواء كوسيط؛تتم معالجة ألياف الكربون المقطعة إلى صفيحة أساسية باستخدام تقنية تشكيل شبكة الهواء، تليها خطوات المعالجة اللاحقة مثل تطبيق الموثق، والتجفيف، والكربنة.الخصائص الرئيسية لورق الكربون المنتج بهذه الطريقة هي محتواه العالي من ألياف الكربون وقوة المنتج الفائقة.

1. التشكيل الجاف لإنتاج ورق ألياف الكربون

التشكيل الجاف هو تقنية صناعة الورق التي شهدت تطوراً سريعاً في السنوات الأخيرة.تبدأ العملية بالفتح والتفريقألياف الكربون المفرومةإلى فروع فردية موحدة.باستخدام الهواء كوسيط، يتم بعد ذلك تشكيل هذه الألياف بسرعة إلى شبكة عبر تقنية وضع الهواء لإنتاج لوح أساسي.تخضع هذه الطبقة الأساسية بعد ذلك لتطبيق الموثق، والمعالجة بالضغط الساخن، والكربنة/الجرافيت للحصول على ورق ألياف الكربون النهائي.أثناء عملية التشكيل الجاف، يتراوح طول ألياف الكربون المقطعة عادة من 40 إلى 50 ملم.يتميز ورق ألياف الكربون الناتج بمحتوى عالي من ألياف الكربون، وقوة منتج عالية، وموصلية كهربائية عالية.ومع ذلك، نظرًا لطول ألياف الكربون نسبيًا، فإنها تكون عرضة لضعف التشتت - وغالبًا ما تتشابك أو تعقد معًا.علاوة على ذلك، فإن التداخل الواسع بين الألياف يزيد من تأثير "الجسر"، مما يؤدي إلى تكوين هياكل مسام كبيرة؛وبالتالي، يميل ورق ألياف الكربون الناتج إلى إظهار تجانس ضعيف نسبيًا وبنية فضفاضة.

2. التشكيل الرطب لإنتاج ورق ألياف الكربون

حاليًا، تعد عملية التشكيل الرطب هي طريقة الإنتاج الأكثر بحثًا وتطبيقًا على نطاق واسع - محليًا ودوليًا - لتصنيع ورق ألياف الكربون عالي الأداء المخصص للاستخدام في خلايا وقود غشاء تبادل البروتون (PEMFCs).في هذه العملية، يعمل الماء كوسيط؛يتم توزيع ألياف الكربون المقطعة بأطوال مختلفة (عادة من 3 إلى 20 ملم) بشكل موحد داخل الماء.يتم بعد ذلك استخدام آلة صناعة الورق لتصفية هذا المعلق بالتفريغ بسرعة على شاشة سلكية، وبالتالي تشكيل لوح أساسي من ألياف الكربون.تخضع هذه الطبقة الأساسية بعد ذلك لسلسلة من خطوات ما بعد المعالجة - بما في ذلك تشريب الراتنج، والمعالجة بالضغط الساخن، والكربنة/الجرافيت - لإنتاج المنتج النهائي لورق ألياف الكربون.بالمقارنة مع طرق التشكيل الجاف، فإن ورق ألياف الكربون الذي يتم إنتاجه عبر التشكيل الرطب يُظهر كثافة وتوحيدًا فائقين، مما يجعله مناسبًا للغاية للمعالجة في ورق ألياف الكربون المصمم خصيصًا لـ PEMFCs.وبالتالي، ستركز المناقشة اللاحقة في المقام الأول على تقديم نظرة عامة مفصلة عن عملية التشكيل الرطب.علاوة على ذلك، يتم بشكل عام مقارنة مقاييس أداء ورق ألياف الكربون المنتج محليًا ودوليًا بسلسلة "TGPH" - وهو خط من ورق ألياف الكربون الخاص بـ PEMFC تم تصنيعه بواسطة شركة Toray Industries (اليابان).

02 التحديات التقنية

أثناء الإنتاج المستمر لورق الكربون، يواجه المصنعون عددًا كبيرًا من التحديات التقنية المتعلقة بالهندسة.يعد ضمان استمرارية العملية وتعزيز توحيد واستقرار جودة المنتج من مجالات التركيز الأساسية أثناء الإنتاج الضخم.في الوقت الحالي، لا يزال تحقيق إنتاج ضخم لورق الكربون داخل الصين يمثل تحديًا، ويرجع ذلك أساسًا إلى القيود التي تفرضها تقنيات المعالجة المعقدة - مثل جرافيت ألياف الكربون والمعالجة اللاحقة - بالإضافة إلى المشكلات المتعلقة بمعدات التصنيع.

1. تنسيق العملية في الإنتاج المستمر من لفة إلى لفة

تقتصر بعض الشركات المصنعة لورق الكربون حاليًا على إنتاج منتجات ورق الكربون على شكل صفائح فقط؛تعمل عمليات الإنتاج الخاصة بها بنظام الدفعة، مما يجعل من الصعب ضمان جودة المنتج المتسقة.تعد عملية التصنيع من اللفة إلى اللفة طريقة أساسية للإنتاج المستمر لورق الكربون؛ويمكن تصنيفها على نطاق واسع إلى ثلاث مراحل: التشتت وتشكيل الويب، وتشريب الراتنج والضغط الساخن، والكربنة والجرافيت.في مرحلة التشتت وتكوين الشبكة، يعد التشتت الموحد لألياف الكربون وتكوينها اللاحق في شبكة من العوامل الحاسمة التي تؤثر على استمرارية الإنتاج.كلما استغرق الأمر وقتًا أطول لتحقيق التشتت الموحد لألياف الكربون الخام، كلما أصبحت معدات المعالجة المسبقة المرتبطة بها أكثر تعقيدًا؛على العكس من ذلك، كلما كان وقت التشتت أقصر، كلما كانت المعدات أكثر إحكاما.علاوة على ذلك، نظرًا لأن شبكة ورق الكربون الرطب تفتقر إلى قوة الترابط الكامنة وتكون عرضة للتمزق تحت ضغط ميكانيكي غير متساوٍ، فإن الروابط التشغيلية المختلفة - بما في ذلك تشتت الألياف، وتكوين الويب، وسرعة نقل الويب، ولف ورق الكربون - يجب أن تكون منسقة ومتزامنة بدقة لضمان التكوين المستمر لشبكة ورق الكربون.في مرحلة تشريب الراتنج والضغط الساخن، يعد التشغيل المنسق للعمليات مثل التحكم الكمي في امتصاص الراتنج، والتجفيف، والضغط الساخن المستمر، واللف أمرًا ضروريًا لضمان استمرارية العملية.إذا تجاوز معدل التشريب معدل المعالجة بالضغط الساخن، فقد تمتص شبكة ورق الكربون كمية غير كافية من الراتنج، مما يؤدي إلى ضعف الالتصاق بين الألياف ومصفوفة الراتنج.على العكس من ذلك، إذا كان معدل التشريب مرتفعًا جدًا، فقد يصبح ورق الكربون مشبعًا بالراتنج، مما قد يعيق التدفق الكامل وتوزيع الراتنج أثناء مرحلة الضغط الساخن والمعالجة.أخيرًا، في مرحلة الكربنة أو الجرافيت ذات درجة الحرارة العالية، يعد التزامن بين سرعة نقل ورق الكربون ووقت سكنه داخل مناطق درجات الحرارة المختلفة للفرن عالي الحرارة هو العامل الرئيسي لضمان التشغيل المستمر.

2. مراقبة توحيد جودة المنتج

يعد ضعف توحيد الجودة من دفعة إلى دفعة أحد العوامل الأساسية التي تعيق حاليًا الاستبدال المحلي لورق الكربون المستورد.يمكن أن تؤدي الاختلافات الكبيرة في الخصائص - سواء بين المواقع المختلفة داخل نفس دفعة الإنتاج أو بين دفعات الإنتاج المختلفة - إلى صعوبات كبيرة للمستخدمين النهائيين.على سبيل المثال، يؤدي السماكة غير المتناسقة إلى انحرافات كبيرة في الكثافة الحجمية أثناء تجميع مداخن خلايا الوقود، مما يؤثر على خصائص القطب الحرجة مثل توزيع المياه ونفاذية الغاز.تؤدي المقاومة الكهربائية غير المتناسقة إلى إضعاف السلامة الهيكلية للشبكة الموصلة داخل طبقة انتشار الغاز، مما يقوض توحيد توزيع الكثافة الحالية.علاوة على ذلك، تؤدي الخواص الميكانيكية غير المتناسقة إلى اختلافات كبيرة في قوة الشد والانثناء لصفائح ورق الكربون المختلفة، مما يجعل الأقطاب الكهربائية عرضة للتلف أثناء عملية تجميع المكدس.تنبع مشكلة توحيد الجودة الرديئة التي غالبًا ما تتم مواجهتها أثناء الإنتاج الضخم لورق الكربون بشكل أساسي من بنية شبكة الكربون غير الموحدة وغير المستقرة التي تظهر بعد تفحيم الهيكل المركب من ألياف الكربون والراتنج.من المحتمل أن تشمل الأسباب الجذرية التعديلات المتأخرة على معلمات العملية استجابة للتقلبات في خصائص المواد الخام، والتحكم غير المستقر في تركيزات المشتتات في المحلول، والاختلافات في تركيز محلول الراتنج والإيثانول.

3. الإنجازات الهندسية للمعدات الأساسية الرئيسية

تشكل معدات التشكيل النواة التكنولوجية لجميع الشركات المصنعة لورق الكربون.حاليًا، يعتمد الباحثون في المقام الأول على الخبرة المكتسبة من معدات تشكيل صناعة الورق لتحسين هذه الأنظمة وضبطها؛ومع ذلك، ما إذا كانت هذه التعديلات تسفر عن نتائج تشكيل مثالية لا يزال يتعين التحقق من صحتها من خلال ممارسة الإنتاج الفعلية.علاوة على ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من البحث والتطوير المكثف لمعالجة التحديات المحددة التي ينطوي عليها تشكيل ورق كربون أحادي الطبقة وعالي الوزن لسيناريوهات التطبيقات المتخصصة.

تعد معدات تشريب الراتنج عنصرًا مهمًا آخر في الإنتاج المستمر لورق الكربون.تعمل أنظمة التشريب الحالية على تكييف تقنيات الطلاء التي تم تطويرها في صناعات مثل صناعة الورق إلى حد كبير؛ومع ذلك، فإن التحدي الفني الأساسي في سياق ورق الكربون يكمن في تحقيق تشريب دقيق وكمي للراتنج - على وجه التحديد، ضمان مستوى تحميل موحد للراتنج وتوزيع متجانس في جميع أنحاء المادة.في البيئات المختبرية، عادة ما تتم معالجة ورق الكربون المشرب بالراتنج عن طريق الضغط الساخن باستخدام معدات مثل الفلكنة المسطحة.ومع ذلك، فإن توسيع نطاق هذه العملية إلى الإنتاج الضخم المستمر يمثل صعوبات كبيرة.ونتيجة لذلك، استكشف المصنعون اعتماد تقنيات الضغط بالدرفلة الساخنة المستخدمة في صناعة الورق؛ومع ذلك، فإن هذا النهج يحمل في طياته خطرًا كامنًا وهو أن خط الاتصال بين البكرتين قد يؤدي إلى تمزيق ورق الكربون.ونتيجة لذلك، تحول الاهتمام نحو التقنيات البديلة - مثل المكابس الساخنة المبرمجة ذات القاعدة المسطحة والمكابس الساخنة ذات الحزام الفولاذي المزدوج - حيث تقدم الأخيرة مستويات عالية بشكل خاص من دقة التحكم.

وأخيرًا، يمثل بناء معدات الكربنة والجرافيت المستمر التحدي الأكثر أهمية.تتيح هذه المعدات المعالجة الحرارية المستمرة لورق الكربون، وبالتالي ضمان استقرار أدائه وجودته.يتم تحديد ملفات الطول ودرجة الحرارة لأنظمة الكربنة المستمرة هذه بناءً على عوامل مختلفة، بما في ذلك قوة شد ورق الكربون، ومتطلبات الشد، والترهل المسموح به.من خلال التحكم الدقيق في عملية التسخين، يمكن للمصنعين التأكد من أن ورق الكربون يحقق مواصفات الأداء المستهدفة أثناء مرحلة الكربنة.في عملية الكربنة والجرافيت المستمرة، يعمل نظام حماية ستارة الغاز كمكون حاسم لضمان جودة ورق الكربون.من خلال وضع موانع تسرب الغاز أو أجهزة ستائر الغاز على طرفي الفرن، فإنه يعزل الجزء الداخلي بشكل فعال عن الهواء المحيط، وبالتالي يقلل من التآكل الناتج عن الأكسجين لكل من حجرة الفرن وورق الكربون.وهذا يحافظ على بيئة عمل منخفضة الأكسجين داخل الفرن، وبالتالي يسهل عملية الكربنة والجرافيت الموحد لورق الكربون.