Eksperimentell gjennomføringen av en ny sammensatt fabrikasjon metode: utsette nakne fiber på sammensatte overflaten av myke lag metoden
Summary
En protokoll for å utsette nakne fiber på sammensatte overflaten ved å eliminere harpiks rike området vises. Fibrene er eksponert under fabrikasjon av kompositter, ikke av innlegget overflatebehandling. Utsatte karbon-sammensetninger exhibit høy elektrisk ledningsevne i gjennom-tykkelse retning og høy mekanisk eiendom.
Abstract
Bipolar platen er en viktig komponent i proton exchange membran brenselceller (PEMFCs) og vanadium redoks flyt batterier (VRFBs). Det er en multi-funksjonell komponent som bør ha høy elektrisk ledningsevne, høy mekaniske egenskaper og høy produktivitet.
I denne forbindelse, kan karbonfiber/epoxy harpiks sammensatt være en ideell materiale å erstatte konvensjonelle grafitt bipolar platen, som ofte fører til katastrofale feil på hele systemet på grunn av dens iboende skjørhet. Om karbon/epoxy kompositt har høy mekaniske egenskaper og er lett å produsere, er elektrisk ledningsevne i gjennom-tykkelse retning dårlig på grunn av harpiks-rik laget som dannes på overflaten. Derfor ble det vedtatt en utvidet grafitt belegg for å løse problemet elektrisk ledningsevne. Utvidet grafitt belegget ikke bare øker produksjonskostnadene men har også dårlig mekaniske egenskaper.
I denne studien er en metode for å avsløre fiber på sammensatte overflaten demonstrert. Det er nå mange metoder som kan utsette fiber med overflatebehandling etter fabrikasjon av sammensatt. Denne nye metoden, men krever ikke overflatebehandling fordi fibrene er eksponert under produksjon av sammensatt. Ved å utsette bare karbon fiber på overflaten, økte den elektrisk ledningsevne og mekanisk styrke av sammensatt drastisk.
Introduction
Bipolar platen er en multi-funksjonell nøkkelkomponent konvertering energisystemer og energi lagringssystemer som brenselsceller og batterier. De viktige funksjonelle kravene av bipolar platen er som følger: høy elektrisk ledningsevne i gjennom-tykkelse retning å redusere ohmsk-tap, høy mekaniske egenskaper for å tåle høy komprimering press og eksterne virkninger og høy produktivitet for masseproduksjon.
Sammenlignet med grafitt og metaller som konvensjonelt ble vedtatt som materiale for bipolar plate, har karbonfiber/epoxy kompositter en høyere bestemt styrke og stivhet, som angir at vekten av systemet kan reduseres betydelig ved erstatte konvensjonelle bipolar plate materiale med kompositter1. Men har konvensjonelle karbon/epoxy kompositter dårlig elektrisk ledningsevne i gjennom-tykkelse retning, som resulterer i en stor areal spesifikke motstand (ASR), på grunn av harpiks-rike lag som er dannet på sammensatte overflaten. Den isolerende harpiks-rike lag hindrer direkte kontakt mellom ledende karbon fiber og tilstøtende komponenter, for eksempel en annen bipolar plate, gass diffusjon lag (GDL), karbon følte elektrode (CFE).
Mange studier ble utført for å løse den høye ASR på grunn av harpiks-rike lag. Første tilnærmingen var overflate behandlingsmetoder selektivt fjerne harpiks-rike lag. For eksempel ble mekanisk slitasje forsøkt å fjerne harpiks på overflaten2. Men ble karbon fiber også skadet, som resulterte i en dårlig ASR. Plasma behandling3,4 og mikrobølgeovn behandling metoder5,6 ble også utviklet for å unngå fiber skade, men de resultert i lav produktivitet og ensartethet. Den andre tilnærmingen, ledende lag belegg metoder, inkluderer utvidet grafitt belegg7,8. Denne metoden er redusert til ASR og har vært ansett som en standard metode for å produsere en sammensatt bipolar plate. Men det er dyrt og har holdbarhet og delaminering problemer på grunn av lav mekanisk styrke.
I denne studien er “myk lag metoden”, en roman produksjon metode som kan utsette karbon fiber på sammensatte bipolar tallerken overflaten, demonstrert. Hovedformålet med denne metoden er å få en lav ASR med en lav produksjon. Metoden myk lag vedtar en myk tynt som en polymer utgivelsen film mellom komprimering mold og bipolar plate. Etter komprimering mold og frakobling av myke laget, viser fabrikkerte bipolar platen karbon fiber utsatt på overflaten uten etter overflate behandling. Denne metoden ikke bare redusert til ASR men også betydelig økt mekaniske egenskaper og løst gass permeabilitet problemet. Denne metoden kan brukes til mange andre formål: utviklingen av en elektrisk ledende plate, produksjon av tynne sammensatt og fabrikasjon av lim felles uten overflatebehandling.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden myk lag gir betydelige fordeler sammenlignet med konvensjonelle metoder, og med lavere produksjon kostnader. Alle tre typer kompositter produsert av metoden myk lag viser unike egenskaper i form av den elektriske egenskaper, mekaniske egenskaper, gass permeabilitet og heftegenskaper.
For måling av egenskapen elektrisk, ble en fire-punkts sonde metoden brukt. ASR ble målt 5 ganger og gjennomsnittsverdien ble tatt som en representant for den bipolare platen. Totalt fem bipolar platene …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av klima endre forskning Hub av KAIST (gi nr. N11160012), ledende utenlandske Research Institute rekruttering programmet gjennom National Research Foundation av Korea finansiert av departementet for vitenskap, IKT og fremtid planlegger (grant nr 2011-0030065), ledende menneskelige ressurs treningsprogrammet av Regionale Neo industri gjennom National Research Foundation av Korea (NRF) finansiert av departementet for vitenskap, IKT og fremtid planlegger (gi nei. NRF-2016H1D5A1910603). Deres støtte er verdsatt.
Materials
| Unidirectional carbon/epoxy prepreg | SK Chemicals | USN020 | Used to fabricate unidirectional carbon composite |
| Plain weave carbon fabric/epoxy prepreg | SK Chemicals | WSN 1k | Used to fabricate fabric carbon composite |
| Plain weave carbon fabric | SK Chemicals | C-112 | Used to fabricate fabric carbon composite |
| Non-woven carbon felt | Newell | Graphite felt 3 mm | Used to fabricated felt carbon composite |
| Film type epoxy resin | SK Chemicals | K51 | Used as a matrix of the composite |
| Acetone 99.5% | Samchun | 67-64-1 | Used to cleanse the carbon fiber and the soft layers |
| Mold release | ShinEtsu | KF-96 | Used to coat the mold |
| Release film | Airtech | A4000V | Used as a soft layer |
| Compression mold | N/A | N/A | Machined in lab. Material: NAK80 |
| Hot press | Hydrotek 100 | N/A | Used to apply pressure and heat |
| Scanning electron microscope | FEI Compnay | Magellan 400 | Used to investigate the surface of the composite |
Referenzen
- Hwang, I. U., et al. Bipolar plate made of carbon fiber epoxy composite for polymer electrolyte membrane fuel cells. J Power Sources. 184 (1), 90-94 (2008).
- Avasarala, B., Haldar, P. Effect of surface roughness of composite bipolar plates on the contact resistance of a proton exchange membrane fuel cell. J Power Sources. 188 (1), 225-229 (2009).
- Yu, H. N., Lim, J. W., Kim, M. K., Lee, D. G. Plasma treatment of the carbon fiber bipolar plate for PEM fuel cell. Compos Struct. 94 (5), 1911-1918 (2012).
- Lim, J. W., Lee, D. G. Development of composite-metal hybrid bipolar plates for PEM fuel cells. Int J Hydrogen Energy. 37 (17), (2012).
- Kim, B. G., Lee, D. G. Electromagnetic-carbon surface treatment of composite bipolar plate for high-efficiency polymer electrolyte membrane fuel cells. J Power Sources. 195 (6), 1577-1582 (2010).
- Kim, B. G., Lim, J. W., Lee, D. G. A single-type aluminum/composite hybrid bipolar plate with surface modification for high efficiency PEMFC. Int J Hydrogen Energy. 36 (4), 3087-3095 (2011).
- Yu, H. N., Lim, J. W., Suh, J. D., Lee, D. G. A graphite-coated carbon fiber epoxy composite bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cell. J Power Sources. 196 (23), 9868-9875 (2011).
- Kim, K. H., Kim, B. G., Lee, D. G. Development of carbon composite bipolar plate (BP) for vanadium redox flow battery (VRFB). Compos Struct. 109, 253-259 (2014).
- Lee, D., Lim, J. W., Nam, S., Choi, I., Lee, D. G. Gasket-integrated carbon/silicone elastomer composite bipolar plate for high-temperature PEMFC. Compos Struct. 128, 284-290 (2015).
- Lee, D., Lee, D. G. Electro-mechanical properties of the carbon fabric composites with fibers exposed on the surface. Compos Struct. 140, 77-83 (2016).
- Lee, D., Lim, J. W., Nam, S., Choi, I., Lee, D. G. Method for exposing carbon fibers on composite bipolar plates. Compos Struct. 134, 1-9 (2015).
- Lee, D., Lee, D. G. Carbon composite bipolar plate for high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs). J Power Sources. 327, 119-126 (2016).
- Lee, D., Choe, J., Nam, S., Lim, J. W., Choi, I., Lee, D. G. Development of non-woven carbon felt composite bipolar plates using the soft layer method. Compos struct. 160, 976-982 (2016).
- Lee, D., Lim, J. W., Lee, D. G. Cathode/anode integrated composite bipolar plate for high-temperature PEMFC. Compos Struct. 167, 144-151 (2017).
- Lee, D., Oh, Y., Nam, S., Choe, J. Adhesion Characteristics of Fiber-exposed Glass Composites. Compos Struct. 165, 9-14 (2017).
