水素エネルギー分野の中核素材「カーボンペーパー」

世界のエネルギー構造の転換が深まるにつれ、新エネルギー技術の研究が急速に進歩しています。クリーンで効率的で実質的に炭素排出のないエネルギー ソリューションである水素エネルギーは、化石燃料への依存を減らし、温室効果ガスの排出量を削減するのに役立ちます。したがって、エネルギー構造の変革と気候変動の緩和の両方に大きな期待が寄せられています。水素エネルギーは、水素の製造・貯蔵・利用技術の進歩によりコストが徐々に低下するとともに、その適用範囲も拡大しており、低炭素社会の構築に欠かせないものとなっています。

固体高分子型燃料電池 (PEMFC) は、水素利用の中核技術の 1 つです。電気化学反応を通じて、水素と酸素を電気エネルギー、水、熱に変換します。このプロセス全体は高効率であり、汚染物質の排出が実質的にないため、ポータブル電源から大規模定置型発電所まで、幅広い用途に適しています。ガス拡散層 (GDL) は、PEMFC 内の重要なコンポーネントです。これは、電極表面全体への反応ガスの均一な分布を促進するだけでなく、生成された水を排出し、電子と熱を伝導する役割も果たします。GDL は通常、多孔質の導電性ベース基板と微多孔質層で構成されます。炭素繊維紙（以下、「カーボン紙」と呼ぶ）は、その並外れた導電性、均一な細孔構造、および堅牢な機械的特性により、GDL に推奨される基板材料として浮上しています。

炭素繊維紙 (または「カーボン紙」) は、製紙プロセスを使用して製造される紙のような複合材料です。それはから生産されます チョップドカーボンファイバー、天然または合成パルプをマトリックスとして利用し、結合剤と充填剤を添加します。カーボンペーパーは、燃料電池のガス拡散層の主な基材として機能します。カーボンファイバーをカーボンペーパーに変換するプロセスは、GDL 製造における中心的な技術的課題の 1 つを構成します。これは、得られる材料が、制御可能な気孔率、優れた熱伝導性および電気伝導性、十分な機械的強度、強力な疎水性、および高い耐食性などの多数の性能要件を満たさなければならないためです。

しかし、カーボンペーパーの国内市場は依然として少数の外国企業によってほぼ独占されている。国内生産は輸入原材料の二次加工に大きく依存しています。その結果、価格と生産量の両方が原材料の入手可能性によって大幅に制限され、その結果、コストパフォーマンスが低くなります。国内の生産能力が限られているため、我が国の燃料電池産業からの市場需要の急増に対応するには不十分であり、そのため、この国の水素エネルギーおよび燃料電池部門の独自かつ独自の発展がある程度妨げられています。

01 製造工程

カーボンペーパーの製造方法には湿式法と乾式法があります。湿式法は成熟した技術とみなされており、東レや SGL カーボンなどのメーカーがこのアプローチを広く採用しています。湿式法で製造されたカーボンペーパーは、優れた均一性と緻密な構造を示します。その結果、燃料電池用の高性能カーボンペーパーの製造方法として国際的に広く採用されています。一方、乾式カーボンペーパー製造法は近年急速に発展した技術です。この方法では、空気が媒体として機能します。チョップドカーボンファイバーは、エアレイドウェブ形成技術を使用してベースシートに加工され、その後、バインダーの塗布、乾燥、炭化などの後続の加工ステップが行われます。この方法で製造されるカーボンペーパーの主な特徴は、炭素繊維の含有量が高く、製品強度が優れていることです。

1. 炭素繊維紙製造のための乾式成形

乾式成形は、近年急速に発展している製紙技術です。プロセスは開封して分散することから始まりますチョップドカーボンファイバー均一な個々のストランドにします。次に、媒体として空気を使用し、これらの繊維をエアレイ技術によって迅速にウェブに形成し、ベースシートを製造します。続いて、このベースシートにバインダーの塗布、ホットプレス硬化、炭化/黒鉛化を経て、最終的な炭素繊維紙が得られます。ドライレイド成形プロセス中、チョップドカーボンファイバーの長さは通常 40 ～ 50 mm の範囲になります。得られる炭素繊維紙は、炭素繊維の含有量が高く、製品強度が高く、導電性が高いという特徴があります。ただし、カーボンファイバーの長さが比較的長いため、分散が不十分になる傾向があり、しばしば絡み合ったり、結び目になったりします。さらに、繊維間の広範な重なりにより「架橋」効果が強化され、大きな細孔構造の形成につながります。その結果、得られる炭素繊維紙は均一性が比較的低く、構造が緩い傾向にあります。

2. 炭素繊維紙製造のための湿式成形

現在、湿式成形プロセスは、固体高分子型燃料電池 (PEMFC) での使用を目的とした高性能炭素繊維紙の製造において、国内外で最も広範囲に研究され、広く適用されている製造方法となっています。このプロセスでは、水が媒体として機能します。さまざまな長さ (通常 3 ～ 20 mm) の細断された炭素繊維が水中に均一に分散されます。次に、抄紙機を利用してこの懸濁液をワイヤースクリーン上で急速に真空濾過し、それによって炭素繊維ベースシートを形成します。このベースシートはその後、樹脂含浸、ホットプレス硬化、炭化/黒鉛化などの一連の後処理ステップを経て、最終的な炭素繊維紙製品が製造されます。湿式成形法で製造された炭素繊維紙は、乾式成形法に比べて密度と均一性に優れているため、PEMFC専用の炭素繊維紙への加工に非常に適しています。したがって、以降の説明では、主に湿式成形プロセスの詳細な概要を説明することに焦点を当てます。さらに、国内外で製造される炭素繊維紙の性能指標は、一般に、東レ株式会社（日本）が製造する PEMFC 専用の炭素繊維紙の製品ラインである「TGPH」シリーズに対してベンチマークされます。

02 技術的な課題

カーボンペーパーの連続生産中に、メーカーはエンジニアリング関連の多くの技術的課題に直面します。プロセスの継続性を確保し、製品品質の均一性と安定性を高めることは、大量生産において最も重点を置かれる分野です。現在、中国国内でカーボンペーパーの大規模量産を達成することは、主に炭素繊維の黒鉛化や後処理などの複雑な加工技術による制約と、製造装置に関連する問題により依然として困難なままである。

1. ロールツーロール連続生産における工程調整

一部のカーボン紙メーカーは現在、シート状のカーボン紙製品のみの製造に限定されています。生産プロセスはバッチ モードで実行されているため、一貫した製品品質を保証することが困難です。ロールツーロール製造プロセスは、カーボンペーパーの連続生産の主要な方法です。分散・ウェブ形成、樹脂含浸・ホットプレス、炭化・黒鉛化の3段階に大別できます。分散およびウェブ形成の段階では、炭素繊維の均一な分散とその後のウェブへの形成は、生産の継続性に影響を与える重要な要素です。原料炭素繊維を均一に分散させるのに時間がかかるほど、関連する前処理装置が複雑になる傾向があります。逆に分散時間を短くすればするほど装置をコンパクトにすることができます。さらに、湿ったカーボンペーパーウェブには固有の結合強度が欠けており、不均一な機械的応力によって破れやすいため、カーボンペーパーウェブの連続形成を確実にするために、繊維の分散、ウェブ形成、ウェブ搬送速度、カーボンペーパーの巻き取りなどのさまざまな操作上のリンクを正確に調整し、同期させる必要があります。樹脂の含浸およびホットプレスの段階では、樹脂の取り込み量の制御、乾燥、連続ホットプレス、巻き取りなどのプロセスを調整して操作することが、プロセスの連続性を確保するために不可欠です。含浸速度が熱プレスの硬化速度を超えると、カーボンペーパーウェブが樹脂を十分に吸収せず、繊維と樹脂マトリックスとの間の接着が不十分になる可能性がある。逆に、含浸率が高すぎると、カーボンペーパーが樹脂で過飽和になり、ホットプレスおよび硬化段階での樹脂の完全な流動と分布が妨げられる可能性があります。最後に、高温での炭化または黒鉛化の段階では、高温炉のさまざまな温度ゾーン内でのカーボンペーパーの搬送速度と滞留時間の同期が、連続運転を確保するための重要な要素となります。

2. 製品の品質均一性の管理

バッチ間の品質の均一性が低いことは、現在、輸入カーボン紙の国内代替を妨げている主な要因の 1 つです。同じ生産バッチ内の異なる場所間であれ、異なる生産バッチ間であれ、特性に大きな差異があると、下流のユーザーに大きな問題を引き起こす可能性があります。たとえば、厚さが不均一であると、燃料電池スタックの組み立て中に体積密度に大きなばらつきが生じ、水分分布やガス透過性などの重要な電極特性に影響を及ぼします。電気抵抗率が一貫していない場合、ガス拡散層内の導電ネットワークの構造的完全性が損なわれ、電流密度分布の均一性が損なわれます。さらに、機械的特性が一貫していないため、カーボン ペーパー シートごとに引張強度と曲げ強度に大きなばらつきが生じ、スタックの組み立てプロセス中に電極が損傷しやすくなります。カーボンペーパーの大量生産中にしばしば遭遇する品質の均一性の低下の問題は、炭素繊維と樹脂の複合構造の炭化後に現れる不均一で不安定な炭素ネットワーク構造に根本的に起因しています。根本的な原因としては、原料特性の変動に応じたプロセスパラメータの調整の遅れ、溶液中の分散剤濃度の制御の不安定、樹脂エタノール溶液の濃度の変動などが考えられます。

3. 主要なコア機器のエンジニアリング上のブレークスルー

成形装置は、すべてのカーボンペーパーメーカーにとって技術の中核を構成します。現在、研究者は主に製紙成形装置から得た経験を活用して、これらのシステムを最適化し、微調整しています。ただし、これらの調整によって最適な成形結果が得られるかどうかは、実際の生産実践を通じて検証する必要があります。さらに、特殊な用途シナリオ向けの単層高坪量カーボン紙の形成に伴う特有の課題に対処するには、さらに集中的な研究開発が必要です。

樹脂含浸装置は、カーボンペーパーの連続生産におけるもう 1 つの重要なコンポーネントです。現在の含浸システムは、製紙などの産業で開発されたコーティング技術を主に応用しています。しかし、カーボンペーパーに関する主な技術的課題は、正確かつ定量的な樹脂含浸を達成すること、具体的には、均一な樹脂充填レベルと材料全体への均一な分布の両方を確保することにあります。実験室環境では、樹脂を含浸させたカーボンペーパーは通常、フラットベッド加硫機などの装置を使用したホットプレスによって硬化されます。ただし、このプロセスを継続的な大量生産までスケールアップするには、大きな困難が伴います。その結果、メーカーは製紙業界で利用されている熱ロールプレス技術の採用を検討してきました。ただし、このアプローチには、2 つのローラー間の線接触によってカーボン紙が引き裂かれる可能性があるという固有のリスクが伴います。その結果、プログラムされたステップワイズフラットベッドホットプレスやダブルスチールベルトホットプレスなどの代替技術に注目が移り、後者は特に高いレベルの制御精度を提供します。

最後に、連続炭化および黒鉛化装置の構築が最も重要な課題です。この装置により、カーボンペーパーの連続熱処理が可能となり、性能と品質の安定化が図れます。これらの連続炭化システムの長さと温度プロファイルは、カーボンペーパーの引張強度、張力要件、許容されるたるみなどのさまざまな要因に基づいて決定されます。加熱プロセスを正確に制御することで、メーカーはカーボンペーパーが炭化段階で目標の性能仕様を確実に達成できるようになります。連続炭化および黒鉛化プロセスでは、ガスカーテン保護システムはカーボンペーパーの品質を確保するための重要なコンポーネントとして機能します。炉の両端にガスシールまたはガスカーテン装置を配置することにより、内部を周囲空気から効果的に隔離し、炉室とカーボンペーパーの両方の酸素による腐食を最小限に抑えます。これにより、炉内が低酸素の作業環境に保たれ、カーボンペーパーの均一な炭化と黒鉛化が促進されます。