ورق ألياف الكربون لخلايا الوقود وطبقة انتشار الغاز (GDL)

ورق ألياف الكربون عبارة عن مادة مركبة تشبه الورق مصنوعة من ألياف الكربون المفرومة كمواد خام، مع اللب الطبيعي أو الاصطناعي كمصفوفة، ويتم استكمالها بالمجلدات والحشو من خلال عملية صناعة الورق. ورق الكربون هو الركيزة الرئيسية لطبقة انتشار الغاز في خلايا الوقود. تعد عملية تحويل ألياف الكربون إلى ورق كربون أحد التحديات الأساسية في إنتاج طبقة انتشار الغاز، مما يتطلب من المادة تلبية متطلبات الأداء المتعددة، بما في ذلك المسامية التي يمكن التحكم فيها، والتوصيل الحراري والكهربائي الممتاز، والقوة الميكانيكية الكافية، والكارهة للماء القوية، والمقاومة العالية للتآكل.

1. عملية الإنتاج

تنقسم عمليات إنتاج ورق الكربون إلى عمليات رطبة وجافة. تعتبر العملية الرطبة تقنية ناضجة تستخدمها الشركات المصنعة مثلتورايوSGL الكربون. يتميز ورق الكربون المحضر بالطريقة الرطبة بتوحيد جيد وبنية كثيفة، وهي الطريقة الشائعة الاستخدام لورق الكربون عالي الأداء في خلايا الوقود في الخارج.

تعد العملية الجافة لتحضير ورق الكربون تقنية سريعة التطور في السنوات الأخيرة. تستخدم هذه الطريقة الهواء كوسيط، حيث تستخدم عملية تشكيل شبكة تدفق الهواء لمعالجة الورق وتحويله إلى ورق أساسي، تليها عمليات لاحقة مثل التحجيم والتجفيف والكربنة. السمة الرئيسية لورق الكربون هي محتواه العالي من ألياف الكربون وقوة المنتج العالية.

1. عملية التشكيل الجاف لتحضير ورق ألياف الكربون

يعد التشكيل الجاف إحدى تقنيات صناعة الورق سريعة التطور في السنوات الأخيرة. أولاً، يتم فتح ألياف الكربون القصيرة وتفريقها إلى ألياف مفردة موحدة. ثم، باستخدام الهواء كوسيط، يتم تشكيل شبكة بسرعة لإنشاء الورق الأساسي. ويتبع ذلك الربط بمادة لاصقة، والضغط الساخن، والمعالجة، والكربنة، والجرافيت لإنتاج ورق ألياف الكربون.

يبلغ طول ألياف الكربون القصيرة المستخدمة في عملية التشكيل الجاف عادة 40-50 ملم. يحتوي ورق ألياف الكربون الناتج على نسبة عالية من ألياف الكربون، وقوة منتج عالية، وموصلية عالية.

ومع ذلك، نظرًا لطول الألياف الأطول، يصعب تشتيت الألياف، كما أنها تتشابك وتعقد بسهولة. يعزز التداخل بين ألياف الكربون أيضًا تأثير "الجسر"، مما يشكل بنية ذات مسام كبيرة، مما يؤدي إلى تجانس ضعيف نسبيًا وبنية فضفاضة في ورق ألياف الكربون.

2. عملية التشكيل الرطب لورق ألياف الكربون

في الوقت الحالي، فإن عملية التحضير الأكثر بحثًا وتطبيقًا على نطاق واسع لورق ألياف الكربون عالي الأداء لمواد PEMFC، محليًا ودوليًا على حد سواء، هي عملية التشكيل الرطب. تستخدم هذه العملية الماء كوسيلة لتوزيع ألياف الكربون القصيرة المقطوعة بشكل موحد (3-20 ملم) بأطوال مختلفة في الماء.

يتم بعد ذلك تصفية الورق الأساسي من ألياف الكربون بسرعة على شاشة الترشيح باستخدام آلة الورق. وتشمل العمليات اللاحقة تشريب الراتنج، والمعالجة بالضغط الساخن، والكربنة/الجرافيت لإنتاج المنتج النهائي.

بالمقارنة مع التشكيل الجاف، فإن التشكيل الرطب ينتج ورق ألياف الكربون بكثافة وتجانس ممتازين، مما يجعله مناسبًا للغاية للمعالجة في ورق ألياف الكربون الخاص بـ PEMFC.

علاوة على ذلك، فإن مؤشرات أداء ورق ألياف الكربون المنتج محليًا ودوليًا يُشار إليها بشكل عام بسلسلة "TGPH" من ورق ألياف الكربون الخاص بـ PEMFC المصنعة بواسطة شركة Toray Industries, Inc. في اليابان.

2. التحديات الفنية

يواجه الإنتاج المستمر لورق الكربون العديد من التحديات الهندسية. يعد ضمان الإنتاج المستمر وتحسين توحيد جودة المنتج واستقرارها من الاهتمامات الرئيسية أثناء الإنتاج الضخم.

في الوقت الحالي، يعد الإنتاج الضخم لورق الكربون أمرًا صعبًا في الصين، ويرجع ذلك أساسًا إلى العمليات والمعدات المعقدة المستخدمة في جرافيت ألياف الكربون والمعالجة اللاحقة.

1. تنسيق العملية في الإنتاج المستمر من لفة إلى لفة

يمكن لبعض الشركات المصنعة لورق الكربون إنتاج منتجات ورق الكربون الشبيهة بالصفائح فقط، مع عمليات إنتاج متقطعة تجعل من الصعب ضمان توحيد جودة المنتج.

يعد إنتاج اللفة إلى اللفة طريقة مهمة لإنتاج ورق الكربون المستمر، والتي يمكن تقسيمها إلى تشكيل التشتت، وتشريب الراتنج والضغط الساخن، والكربنة والجرافيت.

في مرحلة تشكيل التشتت، يعد التشتت الموحد لألياف الكربون وتشكيل الويب من العوامل المهمة التي تؤثر على الإنتاج المستمر لورق الكربون.

نظرًا لأن ورق الكربون المبلل لا يحتوي على قوة لاصقة، فهو عرضة للتمزق عند تعرضه لضغط غير متناسق. ولذلك، فإن المراحل المختلفة مثل تشتت الألياف، وتشكيل الويب، وسرعة فراغ ورق الكربون، ولف ورق الكربون تحتاج إلى تنسيق ومزامنة لضمان التشكيل المستمر لورق الكربون.

أثناء مرحلة تشريب الراتنج والضغط الساخن، يعد التشغيل المنسق بما في ذلك التحكم في كمية تشريب الراتنج، وتجفيف ورق الكربون، والضغط الساخن المستمر، ولف ورق الكربون أمرًا بالغ الأهمية.

أثناء مرحلة الكربنة أو الجرافيت ذات درجة الحرارة العالية، يعد التنسيق بين سرعة انتقال ورق الكربون ووقت الإقامة ضمن نطاقات درجات حرارة مختلفة في الفرن عالي الحرارة أمرًا أساسيًا للتشغيل المستمر.

2. مراقبة توحيد جودة المنتج

يعد ضعف جودة الدفعة أحد العوامل الرئيسية التي تحد من النقص الحالي في الاستبدال المحلي لورق الكربون.

يؤدي السُمك غير المتناسق إلى انحرافات في الكثافة الظاهرية أثناء تجميع مكدس ألياف الكربون، مما يؤثر على توزيع المياه ونفاذية الأقطاب الكهربائية.

تؤدي المقاومة غير المتناسقة إلى تدهور بنية الشبكة الموصلة لطبقة الانتشار، مما يؤثر على انتظام كثافة التيار.

تؤدي الخواص الميكانيكية غير المتناسقة إلى اختلافات في قوة الشد والانثناء، مما قد يؤدي إلى كسر القطب أثناء التراص.

ترجع مشكلة توحيد الجودة الرديئة في الإنتاج الضخم لورق الكربون بشكل أساسي إلى بنية شبكة الكربون غير الموحدة وغير المستقرة بعد تفحيم الهيكل المركب من ألياف الكربون والراتنج.

3. الإنجازات الهندسية للمعدات الأساسية الرئيسية

معدات التشكيل هي التكنولوجيا الأساسية لمصنعي ورق الكربون. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتلبية متطلبات تشكيل ورق كربون عالي الوزن بطبقة واحدة لتطبيقات محددة.

تعد معدات تشريب الراتنج أيضًا أمرًا بالغ الأهمية في الإنتاج المستمر لورق الكربون. يكمن التحدي الرئيسي في تشريب الراتينج كميًا لضمان تحميل موحد وحتى للراتنج.

يصبح الضغط الساخن المستمر والمعالجة أكثر صعوبة في الإنتاج الضخم. ولذلك، فقد اكتسبت المكابس الساخنة المسطحة المبرمجة من النوع المتدرج والمكابس الساخنة ذات الحزام المزدوج الاهتمام.

توفر المكابس الساخنة الأجنبية ذات الحزام المزدوج دقة تحكم أعلى، في حين أن المعدات المحلية لا تزال متخلفة.

وأخيرًا، تمثل معدات الكربنة والجرافيت المستمرة التحدي الأكبر. من خلال التحكم الدقيق في عملية التسخين، يمكن لورق الكربون تحقيق مؤشرات أداء مثالية.

في عمليات الكربنة والجرافيت المستمرة، يعد نظام حماية ستارة الهواء أمرًا بالغ الأهمية. عن طريق تركيب أختام الغاز أو أجهزة ستائر الهواء على طرفي الفرن، فإنه يعزل الهواء الخارجي، ويقلل من تآكل الأكسجين، ويحافظ على بيئة منخفضة الأكسجين تساعد على الكربنة والجرافيت الموحد.