Le papier carbone : un matériau essentiel dans le secteur de l'énergie hydrogène

À mesure que la transition de la structure énergétique mondiale continue de s’approfondir, la recherche sur les nouvelles technologies énergétiques a connu des progrès rapides.L’énergie hydrogène – une solution énergétique propre, efficace et pratiquement sans émissions de carbone – contribue à réduire la dépendance aux combustibles fossiles et à réduire les émissions de gaz à effet de serre ;par conséquent, il est extrêmement prometteur à la fois pour la transformation structurelle de l’énergie et pour l’atténuation du changement climatique.Poussé par les progrès des technologies de production, de stockage et d’utilisation de l’hydrogène, le coût de l’énergie hydrogène a progressivement diminué tandis que son champ d’application s’est élargi, ce qui en fait un élément indispensable à la construction d’une société à faibles émissions de carbone.

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) représentent l’une des technologies de base pour l’utilisation de l’hydrogène.Grâce à des réactions électrochimiques, ils convertissent l’hydrogène et l’oxygène en énergie électrique, en eau et en chaleur.L'ensemble de ce processus est très efficace et ne génère pratiquement aucune émission de polluants, ce qui le rend adapté à un large éventail d'applications, des sources d'énergie portables aux centrales électriques fixes à grande échelle. La couche de diffusion de gaz (GDL) est un composant essentiel d'une PEMFC ;il facilite non seulement la distribution uniforme des gaz réactifs sur la surface de l'électrode, mais est également responsable de l'expulsion de l'eau générée et de la conduction des électrons et de la chaleur.Un GDL se compose généralement d’un substrat de base poreux et conducteur et d’une couche microporeuse.En raison de sa conductivité électrique exceptionnelle, de sa structure de pores uniforme et de ses propriétés mécaniques robustes, le papier en fibre de carbone (ci-après dénommé « papier carbone ») est devenu le matériau de substrat préféré pour les GDL.

Le papier en fibre de carbone (ou « papier carbone ») est un matériau composite semblable au papier fabriqué à l'aide d'un procédé de fabrication du papier ;il est produit à partir de fibres de carbone coupées,utilisant de la pâte naturelle ou synthétique comme matrice et complétée par des liants et des charges.Le papier carbone sert de substrat principal pour les couches de diffusion de gaz dans les piles à combustible.Le processus de conversion des fibres de carbone en papier carbone constitue l'un des principaux défis techniques de la fabrication du GDL, car le matériau obtenu doit satisfaire à une multitude d'exigences de performances : porosité contrôlable, excellente conductivité thermique et électrique, résistance mécanique suffisante, forte hydrophobie et haute résistance à la corrosion.

Toutefois, le marché intérieur du papier carbone reste largement monopolisé par une poignée d’entreprises étrangères.La production nationale dépend largement de la transformation secondaire des matières premières importées ;par conséquent, les prix et le volume de production sont considérablement limités par la disponibilité des matières premières, ce qui se traduit par un faible rapport coût-performance.La capacité de production nationale limitée est insuffisante pour répondre à la demande croissante du marché de l'industrie chinoise des piles à combustible, entravant ainsi, dans une certaine mesure, le développement indépendant et local des secteurs nationaux de l'hydrogène, de l'énergie et des piles à combustible.

01 Processus de production

Concernant les procédés de production du papier carbone, une distinction est faite entre la méthode humide et la méthode sèche.La méthode humide est considérée comme une technologie mature et des fabricants tels que Toray et SGL Carbon emploient largement cette approche.Le papier carbone produit par voie humide présente une excellente uniformité et une structure dense ;par conséquent, il s’agit de la méthode universellement adoptée pour fabriquer du papier carbone haute performance pour piles à combustible à l’échelle internationale.À l’inverse, la méthode sèche pour la production de papier carbone est une technologie qui s’est développée rapidement ces dernières années.Dans cette méthode, l’air sert de milieu ;les fibres de carbone coupées sont transformées en une feuille de base à l'aide d'une technique de formation de bande par air, suivie d'étapes de traitement ultérieures telles que l'application de liant, le séchage et la carbonisation.Les principales caractéristiques du papier carbone produit via cette méthode sont sa teneur élevée en fibres de carbone et sa résistance supérieure.

1. Formage à sec pour la production de papier en fibre de carbone

Le formage à sec est une technologie de fabrication du papier qui a connu un développement rapide ces dernières années.Le processus commence par l'ouverture et la dispersionfibres de carbone coupéesen brins individuels uniformes.En utilisant l'air comme support, ces fibres sont ensuite rapidement transformées en une bande via une technique de pose à l'air pour produire une feuille de base.Cette feuille de base subit ensuite une application de liant, un durcissement par presse à chaud et une carbonisation/graphitisation pour donner le papier final en fibre de carbone.Au cours du processus de formage à sec, les fibres de carbone coupées ont généralement une longueur comprise entre 40 et 50 mm.Le papier en fibre de carbone obtenu présente une teneur élevée en fibres de carbone, une résistance élevée et une conductivité électrique élevée.Cependant, en raison de la longueur relativement longue des fibres de carbone, elles sont sujettes à une mauvaise dispersion et s'emmêlent ou se nouent souvent.De plus, le chevauchement important entre les fibres intensifie l'effet de « pontage », conduisant à la formation de structures à pores larges ;par conséquent, le papier en fibre de carbone résultant a tendance à présenter une uniformité relativement médiocre et une structure lâche.

2. Formage par voie humide pour la production de papier en fibre de carbone

Actuellement, le processus de formage par voie humide constitue la méthode de production la plus étudiée et la plus largement appliquée, tant au niveau national qu'international, pour la fabrication de papier en fibre de carbone haute performance destiné à être utilisé dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC).Dans ce processus, l’eau sert de milieu ;des fibres de carbone hachées de différentes longueurs (généralement de 3 à 20 mm) sont uniformément dispersées dans l'eau.Une machine à papier est ensuite utilisée pour filtrer rapidement sous vide cette suspension sur un tamis métallique, formant ainsi une feuille de base en fibre de carbone.Cette feuille de base subit ensuite une série d'étapes de post-traitement, notamment l'imprégnation de résine, le durcissement par presse à chaud et la carbonisation/graphitisation, pour produire le produit final en papier en fibre de carbone.Comparé aux méthodes de formage à sec, le papier en fibre de carbone produit par formage humide présente une densité et une uniformité supérieures, ce qui le rend parfaitement adapté à la transformation en papier en fibre de carbone spécialement conçu pour les PEMFC.Par conséquent, la discussion ultérieure se concentrera principalement sur la fourniture d’un aperçu détaillé du processus de formage par voie humide.En outre, les mesures de performance du papier en fibre de carbone produit au niveau national et international sont généralement comparées à la série « TGPH », une gamme de papier en fibre de carbone spécifique au PEMFC fabriqué par Toray Industries (Japon).

02 Défis techniques

Lors de la production continue de papier carbone, les fabricants sont confrontés à une prépondérance de défis techniques liés à l'ingénierie.Assurer la continuité des processus et améliorer l’uniformité et la stabilité de la qualité des produits sont les principaux domaines d’intérêt lors de la production de masse.Actuellement, parvenir à une production de masse à grande échelle de papier carbone en Chine reste un défi, principalement en raison des contraintes imposées par des techniques de traitement complexes, telles que la graphitisation et le post-traitement des fibres de carbone, ainsi que des problèmes liés aux équipements de fabrication.

1. Coordination des processus dans la production continue roll-to-roll

Certains fabricants de papier carbone sont actuellement limités à la production uniquement de produits en papier carbone sous forme de feuilles ;leurs processus de production fonctionnent en mode batch, ce qui rend difficile la garantie d’une qualité constante des produits.Le processus de fabrication rouleau à rouleau est une méthode principale pour la production continue de papier carbone ;il peut être globalement classé en trois étapes : dispersion et formation de la bande, imprégnation de résine et pressage à chaud, et carbonisation et graphitisation.Au cours de la phase de dispersion et de formation de la bande, la dispersion uniforme des fibres de carbone et leur formation ultérieure en une bande sont des facteurs critiques influençant la continuité de la production.Plus il faut de temps pour obtenir une dispersion uniforme des fibres de carbone brutes, plus l'équipement de prétraitement associé a tendance à être complexe ;à l'inverse, plus le temps de dispersion est court, plus l'équipement peut être compact.De plus, étant donné que la bande de papier carbone humide manque de force de liaison inhérente et est susceptible de se déchirer sous des contraintes mécaniques inégales, divers liens opérationnels, notamment la dispersion des fibres, la formation de la bande, la vitesse de transport de la bande et l'enroulement du papier carbone, doivent être précisément coordonnés et synchronisés pour assurer la formation continue de la bande de papier carbone.Au cours de l’étape d’imprégnation de la résine et de pressage à chaud, le fonctionnement coordonné de processus tels que le contrôle quantitatif de l’absorption de résine, le séchage, le pressage à chaud continu et le bobinage est essentiel pour assurer la continuité du processus.Si le taux d'imprégnation dépasse le taux de durcissement par pressage à chaud, la bande de papier carbone peut absorber une quantité insuffisante de résine, entraînant une mauvaise adhérence entre les fibres et la matrice de résine.À l’inverse, si le taux d’imprégnation est trop élevé, le papier carbone peut devenir sursaturé en résine, ce qui pourrait entraver l’écoulement et la distribution complète de la résine pendant la phase de pressage à chaud et de durcissement.Enfin, lors de l'étape de carbonisation ou de graphitisation à haute température, la synchronisation entre la vitesse de transport du papier carbone et son temps de séjour dans les différentes zones de température du four à haute température est le facteur clé pour assurer un fonctionnement continu.

2. Contrôle de l'uniformité de la qualité des produits

La mauvaise uniformité de la qualité d’un lot à l’autre est l’un des principaux facteurs qui entravent actuellement la substitution nationale du papier carbone importé.Des variations importantes des propriétés, que ce soit entre différents sites au sein d'un même lot de production ou entre différents lots de production, peuvent entraîner des difficultés considérables pour les utilisateurs en aval.Une épaisseur incohérente, par exemple, entraîne des écarts importants de densité volumétrique lors de l’assemblage des piles à combustible, affectant ainsi les propriétés critiques des électrodes telles que la distribution de l’eau et la perméabilité aux gaz.Une résistivité électrique incohérente compromet l’intégrité structurelle du réseau conducteur au sein de la couche de diffusion gazeuse, compromettant ainsi l’uniformité de la distribution de la densité de courant.De plus, des propriétés mécaniques incohérentes entraînent des variations significatives des résistances à la traction et à la flexion des différentes feuilles de papier carbone, rendant les électrodes susceptibles d'être endommagées pendant le processus d'assemblage de la pile.Le problème de mauvaise uniformité de qualité souvent rencontré lors de la production de masse de papier carbone provient fondamentalement de la structure du réseau de carbone non uniforme et instable qui émerge après la carbonisation de la structure composite fibre de carbone-résine.Les causes profondes incluent probablement des ajustements retardés des paramètres du procédé en réponse aux fluctuations des propriétés des matières premières, un contrôle instable des concentrations de dispersant dans la solution et des variations de la concentration de la solution résine-éthanol.

3. Percées techniques pour les équipements de base clés

Les équipements de formage constituent le noyau technologique de tous les fabricants de papier carbone.Actuellement, les chercheurs s'appuient principalement sur l'expérience acquise dans les équipements de formage de la fabrication du papier pour optimiser et affiner ces systèmes ;cependant, la question de savoir si ces ajustements donnent des résultats de formage optimaux reste à valider par les pratiques de production réelles.En outre, des travaux de recherche et de développement intensifs sont nécessaires pour relever les défis spécifiques liés à la formation de papier carbone monocouche à grammage élevé pour des scénarios d'application spécialisés.

L'équipement d'imprégnation de résine est un autre élément essentiel dans la production continue de papier carbone.Les systèmes d'imprégnation actuels adaptent largement les technologies de revêtement développées dans des industries telles que la fabrication du papier ;cependant, le principal défi technique dans le contexte du papier carbone réside dans la réalisation d'une imprégnation précise et quantitative de la résine, en particulier en garantissant à la fois un niveau de charge de résine uniforme et une répartition homogène dans tout le matériau.En laboratoire, le papier carbone imprégné de résine est généralement durci par pressage à chaud à l'aide d'équipements tels que des vulcanisateurs à plat.Cependant, la mise à l’échelle de ce processus jusqu’à une production de masse continue présente des difficultés importantes.Par conséquent, les fabricants ont envisagé d’adopter les techniques de pressage à chaud utilisées dans l’industrie papetière ;Cependant, cette approche comporte le risque inhérent que le contact linéaire entre les deux rouleaux puisse potentiellement déchirer le papier carbone.En conséquence, l'attention s'est portée sur des technologies alternatives, telles que les presses à chaud à plat programmées par étapes et les presses à chaud à double bande en acier, ces dernières offrant des niveaux de précision de contrôle particulièrement élevés.

Enfin, la construction d’équipements de carbonisation et de graphitisation en continu représente le défi le plus important.Un tel équipement permet le traitement thermique continu du papier carbone, garantissant ainsi la stabilité de ses performances et de sa qualité.Les profils de longueur et de température de ces systèmes de carbonisation continue sont déterminés en fonction de divers facteurs, notamment la résistance à la traction du papier carbone, les exigences de tension et l'affaissement admissible.En contrôlant avec précision le processus de chauffage, les fabricants peuvent garantir que le papier carbone atteint ses spécifications de performances cibles pendant l'étape de carbonisation.Dans le processus continu de carbonisation et de graphitisation, le système de protection du rideau de gaz constitue un élément essentiel pour garantir la qualité du papier carbone.En plaçant des joints d'étanchéité au gaz ou des dispositifs de rideau de gaz aux deux extrémités du four, il isole efficacement l'intérieur de l'air ambiant, minimisant ainsi la corrosion induite par l'oxygène de la chambre du four et du papier carbone.Cela maintient un environnement de travail pauvre en oxygène dans le four, facilitant ainsi la carbonisation et la graphitisation uniformes du papier carbone.