Kertas Serat Karbon untuk Sel Bahan Bakar dan Lapisan Difusi Gas (GDL)

Kertas serat karbon adalah bahan komposit mirip kertas yang terbuat dari serat karbon cincang sebagai bahan bakunya, dengan pulp alami atau sintetis sebagai matriksnya, dan dilengkapi dengan bahan pengikat dan pengisi melalui proses pembuatan kertas. Kertas karbon adalah substrat utama lapisan difusi gas dalam sel bahan bakar. Proses mengubah serat karbon menjadi kertas karbon merupakan salah satu tantangan utama dalam produksi lapisan difusi gas, yang mengharuskan material tersebut memenuhi berbagai persyaratan kinerja, termasuk porositas yang dapat dikontrol, konduktivitas termal dan listrik yang sangat baik, kekuatan mekanik yang memadai, hidrofobisitas yang kuat, dan ketahanan korosi yang tinggi.

1. Proses Produksi

Proses produksi kertas karbon dibagi menjadi proses basah dan kering. Proses basah adalah teknologi matang yang digunakan oleh produsen sepertiTorayDanKarbon SGL. Kertas karbon yang dibuat dengan proses basah memiliki keseragaman yang baik dan struktur yang padat, dan merupakan metode yang umum digunakan untuk kertas karbon berkinerja tinggi dalam sel bahan bakar di luar negeri.

Proses kering untuk menyiapkan kertas karbon merupakan teknologi yang berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir. Metode ini menggunakan udara sebagai medianya, menggunakan proses pembentukan jaringan aliran udara untuk mengolah kertas menjadi kertas dasar, diikuti dengan proses selanjutnya seperti ukuran, pengeringan, dan karbonisasi. Ciri utama kertas karbon adalah kandungan serat karbonnya yang tinggi dan kekuatan produknya yang tinggi.

1. Proses Pembentukan Kering untuk Mempersiapkan Kertas Serat Karbon

Pembentukan kering adalah teknologi pembuatan kertas yang berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir. Pertama, serat karbon jalan pintas dibuka dan didispersikan menjadi serat tunggal yang seragam. Kemudian, dengan menggunakan udara sebagai medianya, sebuah jaring segera dibentuk untuk membuat kertas dasar. Diikuti dengan pengikatan dengan perekat, pengepresan panas, pengawetan, karbonisasi, dan grafitisasi untuk menghasilkan kertas serat karbon.

Serat karbon potongan pendek yang digunakan dalam proses pembentukan kering biasanya memiliki panjang 40-50 mm. Kertas serat karbon yang dihasilkan memiliki kandungan serat karbon yang tinggi, kekuatan produk yang tinggi, dan konduktivitas yang tinggi.

Namun karena panjang serat yang lebih panjang, serat tersebut sulit untuk dibubarkan, mudah terjerat dan diikat. Tumpang tindih antara serat karbon juga meningkatkan efek "menjembatani", membentuk struktur pori-pori besar, sehingga menghasilkan keseragaman yang relatif buruk dan struktur yang longgar pada kertas serat karbon.

2. Proses Pembentukan Basah untuk Kertas Serat Karbon

Saat ini, proses persiapan kertas serat karbon berkinerja tinggi untuk PEMFC yang paling banyak diteliti dan diterapkan secara luas, baik di dalam negeri maupun internasional, adalah proses pembentukan basah. Proses ini menggunakan air sebagai media, menyebarkan serat karbon pendek (3-20 mm) secara merata dengan panjang yang bervariasi di dalam air.

Kertas dasar serat karbon kemudian dengan cepat disaring secara vakum pada layar filter menggunakan mesin kertas. Proses selanjutnya meliputi impregnasi resin, pengawetan dengan pengepresan panas, dan karbonisasi/grafitisasi untuk menghasilkan produk akhir.

Dibandingkan dengan pembentukan kering, pembentukan basah menghasilkan kertas serat karbon dengan kepadatan dan keseragaman yang sangat baik, sehingga sangat cocok untuk diproses menjadi kertas serat karbon khusus PEMFC.

Selain itu, indikator kinerja kertas serat karbon yang diproduksi di dalam negeri dan internasional umumnya mengacu pada kertas serat karbon khusus PEMFC seri "TGPH" yang diproduksi oleh Toray Industries, Inc. di Jepang.

2. Tantangan Teknis

Produksi kertas karbon secara berkelanjutan menghadapi banyak tantangan teknik. Memastikan produksi berkelanjutan dan meningkatkan keseragaman dan stabilitas kualitas produk merupakan perhatian utama selama produksi massal.

Saat ini, produksi massal kertas karbon dalam skala besar sulit dilakukan di Tiongkok, terutama karena rumitnya proses dan peralatan yang terlibat dalam grafitisasi serat karbon dan pasca-pemrosesan.

1. Koordinasi Proses dalam Produksi Berkelanjutan Roll-to-Roll

Beberapa produsen kertas karbon hanya dapat memproduksi produk kertas karbon berbentuk lembaran, dengan proses produksi yang terputus-putus sehingga sulit menjamin keseragaman kualitas produk.

Produksi roll-to-roll adalah metode penting untuk produksi kertas karbon berkelanjutan, yang dapat dibagi menjadi pembentukan dispersi, impregnasi resin dan pengepresan panas, serta karbonisasi dan grafitisasi.

Pada tahap pembentukan dispersi, dispersi serat karbon yang seragam dan pembentukan jaring merupakan faktor penting yang mempengaruhi produksi kertas karbon secara berkelanjutan.

Karena blanko kertas karbon basah tidak memiliki daya rekat, maka rentan robek bila terkena tekanan yang tidak konsisten. Oleh karena itu, tahapan yang berbeda seperti dispersi serat, pembentukan jaring, kecepatan kosong kertas karbon, dan penggulungan kertas karbon perlu dikoordinasikan dan disinkronkan untuk memastikan pembentukan kertas karbon berkelanjutan.

Selama tahap impregnasi resin dan pengepresan panas, pengoperasian yang terkoordinasi termasuk kontrol kuantitas impregnasi resin, pengeringan kertas karbon, pengepresan panas terus menerus, dan penggulungan kertas karbon sangatlah penting.

Selama tahap karbonisasi atau grafitisasi suhu tinggi, koordinasi antara kecepatan perjalanan kertas karbon dan waktu tinggal dalam rentang suhu berbeda di tungku suhu tinggi adalah kunci untuk pengoperasian yang berkelanjutan.

2. Pengendalian Keseragaman Mutu Produk

Keseragaman kualitas batch yang buruk adalah salah satu faktor utama yang membatasi kurangnya substitusi kertas karbon dalam negeri saat ini.

Ketebalan yang tidak konsisten menyebabkan penyimpangan kepadatan curah selama perakitan tumpukan serat karbon, sehingga mempengaruhi distribusi air dan permeabilitas elektroda.

Resistivitas yang tidak konsisten menurunkan struktur jaringan konduktif pada lapisan difusi, sehingga berdampak pada keseragaman kerapatan arus.

Sifat mekanik yang tidak konsisten mengakibatkan variasi kekuatan tarik dan lentur, yang berpotensi menyebabkan kerusakan elektroda selama penumpukan.

Masalah keseragaman kualitas yang buruk dalam produksi massal kertas karbon pada dasarnya disebabkan oleh struktur jaringan karbon yang tidak seragam dan tidak stabil setelah karbonisasi struktur komposit serat karbon-resin.

3. Terobosan Rekayasa untuk Peralatan Inti Utama

Peralatan pembentukan adalah teknologi inti bagi produsen kertas karbon. Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk memenuhi persyaratan pembentukan kertas karbon satu lapis dengan berat dasar tinggi untuk aplikasi spesifik.

Peralatan impregnasi resin juga penting dalam produksi kertas karbon berkelanjutan. Tantangan utamanya terletak pada impregnasi resin secara kuantitatif untuk memastikan muatan resin yang seragam dan merata.

Pengepresan dan pengawetan panas secara terus-menerus menjadi lebih sulit dalam produksi massal. Oleh karena itu, mesin press panas flatbed tipe langkah terprogram dan mesin press panas sabuk ganda telah mendapat perhatian.

Mesin press panas sabuk ganda asing menawarkan presisi kontrol yang lebih tinggi, sementara peralatan dalam negeri masih tertinggal.

Terakhir, peralatan karbonisasi dan grafitisasi yang berkelanjutan menghadirkan tantangan terbesar. Dengan mengontrol proses pemanasan secara tepat, kertas karbon dapat mencapai indikator kinerja yang ideal.

Dalam karbonisasi dan grafitisasi yang berkelanjutan, sistem perlindungan tirai udara sangatlah penting. Dengan memasang segel gas atau perangkat tirai udara di kedua ujung tungku, alat ini mengisolasi udara luar, mengurangi erosi oksigen, dan menjaga lingkungan rendah oksigen yang kondusif untuk karbonisasi dan grafitisasi yang seragam.