카본페이퍼, 수소에너지 분야의 핵심 소재

글로벌 에너지 구조의 전환이 심화되면서 에너지 신기술에 대한 연구가 급속히 발전하고 있습니다.깨끗하고 효율적이며 사실상 탄소 배출이 없는 에너지 솔루션인 수소 에너지는 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 온실가스 배출을 줄이는 데 도움이 됩니다.결과적으로 에너지 구조 변화와 기후 변화 완화에 대한 엄청난 가능성을 갖고 있습니다.수소 생산, 저장, 활용 기술의 발전에 따라 수소 에너지의 비용은 점차 낮아지고, 활용 범위는 확대되어 저탄소 사회 건설에 없어서는 안 될 요소로 자리매김하고 있습니다.

양성자 교환막 연료전지(PEMFC)는 수소 활용을 위한 핵심 기술 중 하나입니다.전기화학 반응을 통해 수소와 산소를 전기 에너지, 물, 열로 변환합니다.이 전체 프로세스는 매우 효율적이며 오염 물질 배출이 거의 발생하지 않으므로 휴대용 전원에서 대규모 고정 발전소에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 적합합니다. GDL(가스 확산층)은 PEMFC 내의 중요한 구성 요소입니다.이는 전극 표면 전체에 걸쳐 반응 가스의 균일한 분포를 촉진할 뿐만 아니라 생성된 물을 배출하고 전자와 열을 전도하는 역할도 합니다.GDL은 일반적으로 다공성 전도성 베이스 기판과 미세 다공성 층으로 구성됩니다.탁월한 전기 전도성, 균일한 기공 구조 및 견고한 기계적 특성으로 인해 탄소 섬유 종이(이하 "카본 종이"라고 함)가 GDL의 선호되는 기판 재료로 부상했습니다.

탄소 섬유 종이(또는 "카본 종이")는 제지 공정을 사용하여 제조된 종이 같은 복합 재료입니다.그것은에서 생산됩니다 다진 탄소 섬유,천연 또는 합성 펄프를 매트릭스로 활용하고 바인더와 충전재를 보충합니다.탄소 종이는 연료 전지의 가스 확산층을 위한 주요 기판 역할을 합니다.탄소 섬유를 카본 페이퍼로 전환하는 과정은 GDL 제조의 핵심 기술 과제 중 하나입니다. 결과 재료는 제어 가능한 다공성, 뛰어난 열 및 전기 전도성, 충분한 기계적 강도, 강한 소수성, 높은 내식성 등 다양한 성능 요구 사항을 충족해야 하기 때문입니다.

그러나 국내 카본지 시장은 소수의 외국 기업이 대부분 독점하고 있습니다.국내 생산은 수입 원자재의 2차 가공에 크게 의존합니다.결과적으로 가격과 생산량 모두 원자재 가용성에 의해 크게 제한되어 비용 대비 성능 비율이 낮아집니다.제한된 국내 생산 능력은 우리나라 연료전지 산업의 급증하는 시장 수요를 충족시키기에 부족하며, 이로 인해 국내 수소에너지 및 연료전지 분야의 독립적이고 토착적인 발전을 어느 정도 방해하고 있습니다.

01 생산과정

카본지의 생산 공정은 습식법과 건식법으로 구분됩니다.습식 방법은 성숙한 기술로 간주되며 Toray 및 SGL Carbon과 같은 제조업체는 이 접근 방식을 널리 사용합니다.습식법으로 생산된 카본페이퍼는 우수한 균일성과 치밀한 구조를 나타냅니다.결과적으로 이는 국제적으로 연료전지용 고성능 카본지를 제조하는 데 보편적으로 채택되는 방법입니다.반면, 카본페이퍼 생산을 위한 건식 방식은 최근 몇 년간 급속히 발전한 기술입니다.이 방법에서는 공기가 매체 역할을 합니다.절단된 탄소 섬유는 에어레이드 웹 형성 기술을 사용하여 기본 시트로 가공된 후 바인더 적용, 건조 및 탄화와 같은 후속 가공 단계가 이어집니다.이 방법으로 생산된 카본페이퍼의 주요 특징은 탄소섬유 함량이 높고 제품 강도가 우수하다는 점입니다.

1. 탄소섬유 종이 생산을 위한 건식성형

건식 성형은 최근 몇 년간 급속한 발전을 보인 제지 기술입니다.이 과정은 개봉과 분산으로 시작됩니다.다진 탄소 섬유균일한 개별 가닥으로.공기를 매체로 사용하여 이러한 섬유를 에어레이잉 기술을 통해 신속하게 웹으로 형성하여 베이스 시트를 생산합니다.이 기본 시트는 이어서 바인더 도포, 열간 압착 경화 및 탄화/흑연화 과정을 거쳐 최종 탄소 섬유 종이를 생산합니다.건식 성형 공정에서 절단된 탄소 섬유의 길이는 일반적으로 40~50mm입니다.생성된 탄소 섬유 종이는 높은 탄소 섬유 함량, 높은 제품 강도 및 높은 전기 전도성을 특징으로 합니다.그러나 탄소 섬유의 길이가 상대적으로 길기 때문에 분산이 잘 되지 않는 경향이 있습니다. 종종 서로 엉키거나 매듭이 생기기도 합니다.또한, 섬유 사이의 광범위한 중첩은 "브리징" 효과를 강화하여 큰 기공 구조를 형성하게 합니다.결과적으로, 생성된 탄소 섬유 종이는 상대적으로 불량한 균일성과 느슨한 구조를 나타내는 경향이 있습니다.

2. 탄소섬유 종이 생산을 위한 습식성형

현재 습식 성형 공정은 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)에 사용되는 고성능 탄소 섬유 종이를 제조하기 위해 국내외에서 가장 광범위하게 연구되고 널리 적용되는 생산 방법입니다.이 과정에서 물은 매체 역할을 합니다.다양한 길이(일반적으로 3~20mm)의 잘게 잘린 탄소 섬유가 물 속에 균일하게 분산되어 있습니다.그런 다음 제지 기계를 사용하여 이 현탁액을 와이어 스크린으로 빠르게 진공 여과하여 탄소 섬유 베이스 시트를 형성합니다.이후 이 베이스 시트는 수지 함침, 핫 프레스 경화, 탄화/흑연화 등 일련의 후처리 단계를 거쳐 최종 탄소 섬유 종이 제품을 생산합니다.습식성형을 통해 생산된 탄소섬유종이는 건식성형법에 비해 밀도와 균일성이 우수하여 PEMFC 전용 탄소섬유종이 가공에 매우 적합합니다.결과적으로 후속 논의에서는 주로 습식 성형 공정에 대한 자세한 개요를 제공하는 데 중점을 둘 것입니다.또한, 국내외에서 생산되는 탄소 섬유 종이의 성능 지표는 일반적으로 Toray Industries(일본)에서 제조한 PEMFC 전용 탄소 섬유 종이 라인인 "TGPH" 시리즈에 대해 벤치마킹됩니다.

02 기술적 과제

카본 페이퍼를 지속적으로 생산하는 동안 제조업체는 엔지니어링 관련 기술적 과제에 직면하게 됩니다.대량 생산에서는 프로세스 연속성을 보장하고 제품 품질의 균일성과 안정성을 높이는 것이 주요 초점입니다.현재 중국 내에서 카본지의 대규모 대량 생산을 달성하는 것은 주로 탄소 섬유 흑연화 및 후처리와 같은 복잡한 가공 기술로 인한 제약과 제조 장비와 관련된 문제로 인해 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다.

1. 롤투롤 연속 생산의 프로세스 조정

일부 카본지 제조업체는 현재 시트 형태의 카본지 제품만 생산하도록 제한되어 있습니다.생산 공정이 배치 모드로 운영되므로 일관된 제품 품질을 보장하기가 어렵습니다.롤투롤(roll-to-roll) 제조 공정은 카본지의 연속 생산을 위한 주요 방법입니다.이는 분산 및 웹 형성, 수지 함침 및 열간 압착, 탄화 및 흑연화의 세 단계로 크게 분류될 수 있습니다.분산 및 웹 형성 단계에서 탄소섬유의 균일한 분산과 그에 따른 웹 형성은 생산 연속성에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.원료 탄소 섬유의 균일한 분산을 달성하는 데 시간이 오래 걸릴수록 관련 전처리 장비가 더 복잡해지는 경향이 있습니다.반대로, 분산 시간이 짧을수록 장비는 더 컴팩트해질 수 있습니다.더욱이, 젖은 카본페이퍼 웹은 고유의 접착력이 부족하고 고르지 못한 기계적 응력 하에서 찢어지기 쉽기 때문에, 카본페이퍼 웹의 연속적인 형성을 위해서는 섬유 분산, 웹 형성, 웹 이송 속도, 카본지 와인딩을 포함한 다양한 작동 링크가 정밀하게 조정되고 동기화되어야 합니다.수지 함침 및 열간 압착 단계에서는 수지 흡수의 정량적 제어, 건조, 연속 열간 압착 및 와인딩과 같은 공정의 조화로운 운영이 공정 연속성을 보장하는 데 필수적입니다.함침율이 열압착 경화율을 초과하면 카본페이퍼 웹이 수지를 충분히 흡수하지 못해 섬유와 수지 매트릭스 사이의 접착력이 저하될 수 있습니다.반대로, 함침율이 너무 높으면 카본 페이퍼가 수지로 과포화되어 잠재적으로 열간 압착 및 경화 단계에서 수지의 완전한 흐름과 분포를 방해할 수 있습니다.마지막으로, 고온 탄화 또는 흑연화 단계에서 카본지의 이송 속도와 고온로의 다양한 온도대 내 체류 시간 간의 동기화는 지속적인 작동을 보장하는 핵심 요소입니다.

2. 제품 품질 균일성 관리

불량한 배치 간 품질 균일성은 현재 수입 카본지의 국내 대체를 방해하는 주요 요인 중 하나입니다.동일한 생산 배치 내의 서로 다른 위치 간 또는 서로 다른 생산 배치 간 속성의 상당한 변화는 다운스트림 사용자에게 상당한 어려움을 초래할 수 있습니다.예를 들어, 두께가 일관되지 않으면 연료 전지 스택을 조립하는 동안 부피 밀도에 상당한 편차가 발생하여 물 분포 및 가스 투과성과 같은 중요한 전극 특성에 영향을 미칩니다.일관되지 않은 전기 저항은 가스 확산층 내 전도성 네트워크의 구조적 완전성을 손상시켜 전류 밀도 분포의 균일성을 약화시킵니다.또한, 일관되지 않은 기계적 특성으로 인해 서로 다른 카본 페이퍼 시트의 인장 및 굽힘 강도에 상당한 변화가 발생하여 스택 조립 과정에서 전극이 손상되기 쉽습니다.카본페이퍼 대량생산 과정에서 흔히 발생하는 품질 균일성 불량 문제는 근본적으로 탄소섬유-수지 복합구조의 탄화 이후 나타나는 불균일하고 불안정한 탄소 네트워크 구조에 기인한다.근본 원인에는 원료 특성 변동에 따른 공정 매개변수 조정 지연, 용액 내 분산제 농도에 대한 불안정한 제어, 수지-에탄올 용액 농도 변화 등이 포함될 수 있습니다.

3. 핵심 핵심 장비의 엔지니어링 혁신

성형 장비는 모든 카본지 제조업체의 기술 핵심을 구성합니다.현재 연구자들은 주로 제지 성형 장비에서 얻은 경험을 활용하여 이러한 시스템을 최적화하고 미세 조정합니다.그러나 이러한 조정이 최적의 성형 결과를 낳는지 여부는 실제 생산 사례를 통해 검증되어야 합니다.또한, 특수 응용 시나리오를 위한 단일 레이어, 고평량 카본 페이퍼를 형성하는 것과 관련된 특정 과제를 해결하려면 더욱 집중적인 연구 개발이 필요합니다.

수지 함침 장비는 카본지의 연속 생산에 있어 또 다른 중요한 구성 요소입니다.현재 함침 시스템은 제지와 같은 산업에서 개발된 코팅 기술을 크게 적용합니다.그러나 카본 페이퍼의 주요 기술적 과제는 정확하고 정량적인 수지 함침을 달성하는 것, 특히 재료 전반에 걸쳐 균일한 수지 로딩 수준과 균질한 분포를 보장하는 것입니다.실험실 환경에서 수지 함침 카본 페이퍼는 일반적으로 평판 가황기와 같은 장비를 사용하여 핫 프레싱을 통해 경화됩니다.그러나 이 프로세스를 지속적인 대량 생산으로 확장하는 것은 상당한 어려움을 안겨줍니다.결과적으로 제조업체는 제지 산업에서 활용되는 열간 압연 기술을 채택하는 방법을 모색해 왔습니다.그러나 이 접근 방식에는 두 롤러 사이의 선 접촉으로 인해 잠재적으로 카본지가 찢어질 수 있는 고유한 위험이 있습니다.그 결과, 프로그래밍된 계단형 평판 핫 프레스 및 이중 강철 벨트 핫 프레스와 같은 대체 기술로 관심이 옮겨졌으며 후자는 특히 높은 수준의 제어 정밀도를 제공합니다.

마지막으로 연속 탄화 및 흑연화 장비의 구축은 가장 중요한 과제입니다.이러한 장비는 카본페이퍼의 지속적인 열처리를 가능하게 하여 성능과 품질의 안정성을 보장합니다.이러한 연속 탄화 시스템의 길이 및 온도 프로파일은 카본지의 인장 강도, 인장 요구 사항 및 허용 가능한 처짐을 포함한 다양한 요소에 따라 결정됩니다.가열 공정을 정밀하게 제어함으로써 제조업체는 탄화 단계에서 카본지가 목표 성능 사양을 달성하도록 보장할 수 있습니다.지속적인 탄화 및 흑연화 공정에서 가스 커튼 보호 시스템은 카본지의 품질을 보장하는 중요한 구성 요소 역할을 합니다.퍼니스 양쪽 끝에 가스 씰이나 가스 커튼 장치를 배치함으로써 내부를 주변 공기로부터 효과적으로 격리함으로써 퍼니스 챔버와 카본 페이퍼 모두의 산소 유발 부식을 최소화합니다.이는 용광로 내부의 저산소 작업환경을 유지시켜 카본페이퍼의 탄화 및 흑연화를 균일하게 촉진시킵니다.