연료전지 및 가스확산층(GDL)용 탄소섬유종이
탄소섬유 종이는 잘게 잘린 탄소섬유를 원료로 하고, 천연 또는 합성 펄프를 매트릭스로 하고, 제지 공정을 통해 바인더와 충전재를 보충하여 만든 종이와 같은 복합재료입니다. 카본페이퍼는 연료전지의 가스확산층의 주요 기재입니다. 탄소 섬유를 카본 페이퍼로 전환하는 과정은 가스 확산층 생산의 핵심 과제 중 하나이며, 제어 가능한 다공성, 우수한 열 및 전기 전도성, 충분한 기계적 강도, 강한 소수성 및 높은 내식성을 포함한 여러 성능 요구 사항을 충족하는 재료가 필요합니다.
1. 생산과정
카본페이퍼 생산 공정은 습식 공정과 건식 공정으로 구분됩니다. 습식 공정은 다음과 같은 제조업체에서 사용하는 성숙한 기술입니다.도레이그리고SGL 카본. 습식법으로 제조된 카본페이퍼는 균일성이 좋고 조직이 치밀하여 해외에서 연료전지용 고성능 카본페이퍼에 흔히 사용되는 방식이다.
카본지를 제조하는 건식 공정은 최근 몇 년간 급속히 발전하는 기술입니다. 이 방법은 공기를 매체로 사용하고 기류 웹 형성 공정을 사용하여 종이를 원지로 가공한 후 사이징, 건조, 탄화와 같은 후속 공정을 수행합니다. 카본페이퍼의 주요 특징은 탄소섬유 함량이 높고 제품 강도가 높다는 것입니다.
1. 탄소섬유 종이 제조를 위한 건식성형 공정
건식 성형은 최근 몇 년 동안 빠르게 발전하는 제지 기술입니다. 먼저, 짧게 자른 탄소섬유를 개섬시켜 균일한 단일섬유로 분산시킵니다. 그런 다음 공기를 매체로 사용하여 빠르게 웹을 형성하여 원지를 만듭니다. 이후 접착제로 접착한 뒤 열간압착, 경화, 탄화, 흑연화 과정을 거쳐 탄소섬유종이를 생산한다.
건식 성형 공정에 사용되는 단축 탄소 섬유의 길이는 일반적으로 40~50mm입니다. 생성된 탄소 섬유 종이는 탄소 섬유 함량이 높고 제품 강도가 높으며 전도성이 높습니다.
그러나 섬유 길이가 길기 때문에 섬유가 분산되기 어렵고 쉽게 얽히고 매듭이 지어집니다. 탄소 섬유 사이의 중첩은 또한 "브리징" 효과를 향상시켜 큰 기공 구조를 형성하여 탄소 섬유 종이의 균일성이 상대적으로 낮고 구조가 느슨해집니다.
2. 탄소섬유 종이의 습식성형 공정
현재 국내 및 해외에서 PEMFC용 고성능 탄소섬유종이 제조에 가장 많이 연구되고 널리 적용되는 공정은 습식성형 공정이다. 이 공정에서는 물을 매개체로 사용하여 다양한 길이의 단축 탄소섬유(3~20mm)를 물에 균일하게 분산시킵니다.
탄소섬유 원지는 초지기를 이용하여 필터스크린에서 빠르게 진공여과됩니다. 후속 공정에는 수지 함침, 핫프레스 경화, 탄화/흑연화 등이 포함되어 최종 제품을 생산합니다.
건식성형에 비해 습식성형은 밀도와 균일성이 우수한 탄소섬유 종이를 생산하므로 PEMFC 전용 탄소섬유 종이 가공에 매우 적합합니다.
또한, 국내외에서 생산되는 탄소섬유종이의 성능지표는 일반적으로 일본 Toray Industries, Inc.에서 제조한 PEMFC 전용 탄소섬유종이 "TGPH" 시리즈를 기준으로 합니다.
2. 기술적 과제
카본 페이퍼의 지속적인 생산은 수많은 엔지니어링 과제에 직면해 있습니다. 지속적인 생산을 보장하고 제품 품질의 균일성과 안정성을 향상시키는 것은 대량 생산의 주요 관심사입니다.
현재 중국에서는 탄소 섬유 흑연화 및 후처리와 관련된 복잡한 공정 및 장비로 인해 카본지의 대규모 대량 생산이 어렵습니다.
1. 롤투롤 연속 생산의 프로세스 조정
일부 카본지 제조업체는 간헐적인 생산 공정으로 인해 시트형 카본지 제품만 생산할 수 있어 제품 품질 균일성을 보장하기 어렵습니다.
롤투롤(Roll-to-Roll) 생산은 연속 카본페이퍼 생산에 중요한 방법으로 분산성형, 수지 함침 및 열간압착, 탄화 및 흑연화로 나눌 수 있다.
분산형성단계에서는 탄소섬유의 균일한 분산과 웹형성이 연속적인 카본페이퍼 생산에 영향을 미치는 중요한 요소이다.
젖은 카본 페이퍼 블랭크는 접착력이 없기 때문에 일정하지 않은 응력을 받으면 찢어지기 쉽습니다. 따라서 지속적인 카본 페이퍼 형성을 보장하려면 섬유 분산, 웹 형성, 카본 페이퍼 블랭크 속도 및 카본 페이퍼 와인딩과 같은 다양한 단계를 조정하고 동기화해야 합니다.
수지 함침 및 열간 압착 단계에서는 수지 함침량 조절, 카본지 건조, 연속 열간 압착, 카본지 권취 등의 조화로운 작업이 중요합니다.
고온 탄화 또는 흑연화 단계에서 고온로의 다양한 온도 범위 내에서 카본지의 이동 속도와 체류 시간 간의 조정이 연속 작업의 핵심입니다.
2. 제품 품질 균일성 관리
불량한 배치 품질 균일성은 현재 국내 카본 페이퍼 대체 부족을 제한하는 주요 요인 중 하나입니다.
두께가 일정하지 않으면 탄소 섬유 스택 조립 중에 부피 밀도의 편차가 발생하여 전극의 수분 분포와 투과성에 영향을 미칩니다.
비저항은 확산층의 전도성 네트워크 구조를 저하시켜 전류 밀도 균일성에 영향을 미칩니다.
일관되지 않은 기계적 특성으로 인해 인장 강도와 굽힘 강도가 달라지고 잠재적으로 적층 중에 전극이 파손될 수 있습니다.
카본페이퍼 대량생산 시 품질 균일성이 떨어지는 문제는 본질적으로 탄소섬유-수지 복합구조의 탄화 이후 탄소 네트워크 구조가 불균일하고 불안정하기 때문이다.
3. 핵심 핵심 장비의 엔지니어링 혁신
성형장비는 카본페이퍼 제조사의 핵심기술입니다. 특정 응용 분야를 위한 단층 고평량 카본 페이퍼를 형성하기 위한 요구 사항을 충족하려면 추가 연구가 필요합니다.
수지 함침 장비는 지속적인 카본지 생산에도 중요합니다. 핵심 과제는 균일하고 균일한 수지 로드를 보장하기 위해 수지를 정량적으로 함침시키는 것입니다.
대량생산에서는 지속적인 열간압착 및 경화가 더욱 어려워집니다. 따라서 프로그래밍된 스텝형 평판 열간 프레스와 더블 벨트 열간 프레스가 주목을 받고 있습니다.
외국산 더블 벨트 핫 프레스는 제어 정밀도가 더 높은 반면 국내 장비는 여전히 뒤떨어져 있습니다.
마지막으로 연속 탄화 및 흑연화 장비는 가장 큰 과제를 제시합니다. 가열 과정을 정밀하게 제어함으로써 카본지는 이상적인 성능 지표를 달성할 수 있습니다.
지속적인 탄화 및 흑연화에서는 에어 커튼 보호 시스템이 중요합니다. 로 양단에 가스실이나 에어커튼 장치를 설치하여 외부 공기를 차단하고 산소 침식을 줄이며 균일한 탄화 및 흑연화에 도움이 되는 저산소 환경을 유지합니다.
