Papier en fibre de carbone pour piles à combustible et couche de diffusion de gaz (GDL)
Le papier en fibre de carbone est un matériau composite semblable à du papier fabriqué à partir de fibres de carbone hachées comme matière première, avec de la pâte naturelle ou synthétique comme matrice, et complété par des liants et des charges grâce à un processus de fabrication du papier. Le papier carbone est le substrat principal de la couche de diffusion gazeuse dans les piles à combustible. Le processus de transformation des fibres de carbone en papier carbone est l'un des principaux défis de la production de couches de diffusion gazeuse, exigeant que le matériau réponde à de multiples exigences de performances, notamment une porosité contrôlable, une excellente conductivité thermique et électrique, une résistance mécanique suffisante, une forte hydrophobie et une résistance élevée à la corrosion.
1. Processus de production
Les processus de production de papier carbone sont divisés en processus humides et secs. Le procédé humide est une technologie mature, utilisée par des fabricants tels queTorayetSGL Carbone. Le papier carbone préparé par voie humide présente une bonne uniformité et une structure dense. Il s'agit de la méthode couramment utilisée pour le papier carbone haute performance dans les piles à combustible à l'étranger.
Le procédé sec de préparation du papier carbone est une technologie qui se développe rapidement ces dernières années. Cette méthode utilise l'air comme support, employant un processus de formation de bande par flux d'air pour transformer le papier en un papier de base, suivi de processus ultérieurs tels que l'encollage, le séchage et la carbonisation. La principale caractéristique du papier carbone est sa teneur élevée en fibres de carbone et sa haute résistance.
1. Processus de formage à sec pour la préparation du papier en fibre de carbone
Le formage à sec est une technologie de fabrication du papier qui s'est développée rapidement ces dernières années. Tout d’abord, les fibres de carbone raccourcies sont ouvertes et dispersées en fibres uniques uniformes. Ensuite, en utilisant l’air comme support, une bande est rapidement formée pour créer le papier de base. Ceci est suivi d'un collage avec un adhésif, d'un pressage à chaud, d'un durcissement, d'une carbonisation et d'une graphitisation pour produire du papier en fibre de carbone.
Les fibres de carbone courtes utilisées dans le processus de formage à sec ont généralement une longueur de 40 à 50 mm. Le papier en fibre de carbone résultant a une teneur élevée en fibre de carbone, une résistance élevée et une conductivité élevée.
Cependant, en raison de la longueur plus longue des fibres, les fibres sont difficiles à disperser, facilement emmêlées et nouées. Le chevauchement entre les fibres de carbone améliore également l'effet de « pontage », formant une structure à grands pores, ce qui entraîne une uniformité relativement médiocre et une structure lâche dans le papier en fibre de carbone.
2. Processus de formage humide pour le papier en fibre de carbone
Actuellement, le processus de préparation du papier en fibre de carbone haute performance pour les PEMFC, tant au niveau national qu'international, le plus étudié et le plus largement appliqué, est le processus de formage par voie humide. Ce processus utilise l'eau comme milieu, dispersant uniformément des fibres de carbone courtes (3 à 20 mm) de différentes longueurs dans l'eau.
Le papier de base en fibre de carbone est ensuite rapidement filtré sous vide sur un tamis filtrant à l’aide d’une machine à papier. Les processus ultérieurs comprennent l'imprégnation de résine, le durcissement par presse à chaud et la carbonisation/graphitisation pour produire le produit final.
Comparé au formage à sec, le formage par voie humide produit du papier en fibre de carbone présentant une densité et une uniformité excellentes, ce qui le rend parfaitement adapté à la transformation en papier en fibre de carbone spécifique au PEMFC.
En outre, les indicateurs de performance du papier en fibre de carbone produit au niveau national et international font généralement référence à la série « TGPH » de papier en fibre de carbone spécifique au PEMFC fabriqué par Toray Industries, Inc. du Japon.
2. Défis techniques
La production continue de papier carbone est confrontée à de nombreux défis techniques. Assurer une production continue et améliorer l’uniformité et la stabilité de la qualité des produits sont des préoccupations clés lors de la production de masse.
Actuellement, la production de masse à grande échelle de papier carbone est difficile en Chine, principalement en raison des processus et équipements complexes impliqués dans la graphitisation et le post-traitement des fibres de carbone.
1. Coordination des processus dans la production continue roll-to-roll
Certains fabricants de papier carbone ne peuvent produire que des produits en papier carbone en forme de feuille, avec des processus de production intermittents qui rendent difficile la garantie de l'uniformité de la qualité du produit.
La production rouleau à rouleau est une méthode importante pour la production continue de papier carbone, qui peut être divisée en formage par dispersion, imprégnation de résine et pressage à chaud, ainsi que carbonisation et graphitisation.
Au cours de l'étape de formation par dispersion, la dispersion uniforme des fibres de carbone et la formation de la bande sont des facteurs importants affectant la production continue de papier carbone.
Étant donné que le papier carbone humide n’a aucune force d’adhérence, il est susceptible de se déchirer lorsqu’il est soumis à des contraintes incohérentes. Par conséquent, différentes étapes telles que la dispersion des fibres, la formation de la bande, la vitesse du papier carbone et l'enroulement du papier carbone doivent être coordonnées et synchronisées pour garantir une formation continue du papier carbone.
Pendant l’étape d’imprégnation de résine et de pressage à chaud, une opération coordonnée comprenant le contrôle de la quantité d’imprégnation de résine, le séchage du papier carbone, le pressage à chaud continu et l’enroulement du papier carbone est cruciale.
Pendant l'étape de carbonisation ou de graphitisation à haute température, la coordination entre la vitesse de déplacement du papier carbone et le temps de séjour dans différentes plages de température dans le four à haute température est essentielle au fonctionnement continu.
2. Contrôle de l'uniformité de la qualité des produits
La mauvaise uniformité de la qualité des lots est l’un des principaux facteurs limitant le manque actuel de substitution nationale du papier carbone.
Une épaisseur incohérente entraîne des écarts de densité apparente lors de l’assemblage de l’empilement de fibres de carbone, affectant la distribution de l’eau et la perméabilité des électrodes.
Une résistivité incohérente dégrade la structure du réseau conducteur de la couche de diffusion, affectant l'uniformité de la densité de courant.
Des propriétés mécaniques incohérentes entraînent des variations de résistance à la traction et à la flexion, pouvant conduire à une rupture des électrodes lors de l'empilement.
Le problème d’uniformité de mauvaise qualité dans la production de masse de papier carbone est essentiellement dû à la structure du réseau de carbone non uniforme et instable après carbonisation de la structure composite fibre de carbone-résine.
3. Percées techniques pour les équipements de base clés
L'équipement de formage est la technologie de base pour les fabricants de papier carbone. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour répondre aux exigences de formation de papier carbone monocouche à grammage élevé pour des applications spécifiques.
L’équipement d’imprégnation de résine est également crucial dans la production continue de papier carbone. Un défi majeur réside dans l’imprégnation quantitative de la résine pour garantir une charge de résine uniforme et homogène.
Le pressage à chaud et le durcissement continus deviennent plus difficiles dans la production de masse. Par conséquent, les presses à chaud à plat programmées de type étagé et les presses à chaud à double bande ont retenu l'attention.
Les presses à chaud étrangères à double bande offrent une plus grande précision de contrôle, tandis que les équipements nationaux sont encore à la traîne.
Enfin, les équipements de carbonisation et de graphitisation en continu présentent le plus grand défi. En contrôlant avec précision le processus de chauffage, le papier carbone peut atteindre des indicateurs de performance idéaux.
En carbonisation et graphitisation continues, le système de protection du rideau d’air est crucial. En installant des joints d'étanchéité à gaz ou des dispositifs de rideau d'air aux deux extrémités du four, il isole l'air extérieur, réduit l'érosion par l'oxygène et maintient un environnement pauvre en oxygène propice à une carbonisation et une graphitisation uniformes.
