Experimentele implementatie van een nieuwe methode van de samengestelde Fabrication: bloot blote vezels op het samengestelde oppervlak door de zachte laag-methode
Summary
Een protocol om bloot blote vezels op het samengestelde oppervlak door het elimineren van hars rijk gebied wordt gepresenteerd. De vezels worden tijdens de fabricage van de composieten, niet door de oppervlakte na de behandeling blootgesteld. De blootgestelde koolstof composieten vertonen hoge elektrische geleidbaarheid in de richting van de via-dikte en hoge mechanische eigenschap.
Abstract
De bipolaire plaat is een belangrijk onderdeel van brandstofcellen (PEMFCs) voor de proton-uitwisseling membraan en vanadium-redox flow batterijen (VRFBs). Het is een multi-functionele onderdeel dat hoge elektrische geleidbaarheid, hoge mechanische eigenschappen, en een hoge productiviteit moet.
In dit verband kunnen een koolstofvezel/epoxy composiet een ideaal materiaal ter vervanging van de conventionele grafiet bipolaire plaat, die vaak tot de katastrofisch mislukking van het gehele systeem vanwege de inherente broosheid leidt. Hoewel de koolstof/epoxy composiet hoge mechanische eigenschappen heeft en gemakkelijk is te produceren, is de elektrische geleiding in de via-dikte richting slecht vanwege de hars-rijke laag die op haar oppervlak ontstaat. Daarom is een uitgebreide grafiet coating goedgekeurd oplossen van het probleem van de elektrische geleidbaarheid. De uitgebreide grafiet coating niet alleen verhoogt de productiekosten maar heeft ook arme mechanische eigenschappen.
In deze studie, wordt een methode om te bloot vezels op de samengestelde oppervlakte aangetoond. Er zijn momenteel veel methoden die vezels oppervlaktebehandeling na de fabricage van de samengestelde kunnen weergeven. Deze nieuwe methode, echter, vereist geen oppervlaktebehandeling omdat de vezels tijdens de vervaardiging van de samengestelde worden blootgesteld. Door bloot blote carbon vezels op het oppervlak, zijn de elektrische geleidbaarheid en de mechanische sterkte van de samengestelde drastisch toegenomen.
Introduction
De bipolaire plaat is een multi-functionele essentieel onderdeel van energie conversie en energie opslagsystemen zoals brandstofcellen en batterijen. De belangrijkste functionele eisen van de bipolaire plaat zijn als volgt: hoge elektrische geleidbaarheid in de richting van de via-dikte te verminderen ohms-verlies, hoge mechanische eigenschappen om te weerstaan de compressie van de hoge druk en externe effecten en hoog productiviteit voor massaproductie.
Vergeleken met de grafiet en metalen die goedgekeurd conventioneel als materialen voor de bipolaire plaat, hebben composieten van koolstofvezel/epoxy een hogere specifieke sterkte en stijfheid, waarmee wordt aangegeven dat het gewicht van het systeem aanzienlijk kan worden verminderd door ter vervanging van de conventionele bipolaire plaat materialen met composieten1. Conventionele koolstof/epoxy composieten hebben echter slechte elektrische geleidbaarheid in de richting van de via-dikte, wat resulteert in een grote areal specifieke weerstand (ASR), als gevolg van de hars-rijke laag die op het samengestelde oppervlak ontstaat. De hars-rijke isolatielaag voorkomt dat rechtstreekse contacten tussen de geleidende carbon vezels en aangrenzende onderdelen, zoals een andere bipolaire plaat, gas verspreiding laag (GDL), en carbon voelde elektrode (CFE).
Talrijke studies werden uitgevoerd u kunt oplossen door de hoge ASR als gevolg van de hars-rijke laag. De eerste benadering was oppervlaktebehandeling methoden voor het selectief verwijderen van de hars-rijke laag. Bijvoorbeeld, was mechanische slijtage probeerde te verwijderen van de hars op de surface2. Echter, de carbon vezels werden ook beschadigd, wat resulteerde in een arme ASR. Plasma behandeling3,4 en magnetron behandeling methoden5,6 zijn ook ontwikkeld om te voorkomen beschadiging van de vezel, maar zij resulteerde in lage productiviteit en uniformiteit. De tweede benadering, geleidende laag coating methoden, inclusief uitgebreide grafiet coating7,8. Deze methode met succes de ASR verminderd en is beschouwd als een standaardmethode voor de vervaardiging van een bipolaire composietplaten. Echter, het is duur en heeft duurzaamheid en delaminatie problemen als gevolg van de lage mechanische sterkte.
In deze studie, wordt de “zachte laag methode”, een productie-methode die carbon vezels op het oppervlak van de bipolaire composietplaten blootstellen kan, roman aangetoond. Het belangrijkste doel van deze methode is om een lage ASR met een lage productiekosten. De zachte laag methode neemt een dun zacht laagje zoals een polymeer verwijderbare beschermingsfolie tussen de compressie schimmel en bipolaire plaat. Na het uitharden in de compressie schimmel en het loskoppelen van de zachte laag, wordt de bewerkte bipolaire plaat weergegeven carbon vezels blootgesteld aan de oppervlakte zonder post oppervlakte behandeling. Deze methode niet alleen daalde de ASR maar ook aanzienlijk toegenomen van de mechanische eigenschappen en loste het probleem van de permeabiliteit gas. Deze methode kan worden toegepast voor veel andere doeleinden: de ontwikkeling van een elektrisch geleidende plaat, de vervaardiging van een dunne vierkleurendruk en de fabricage van een lijm gezamenlijke zonder oppervlaktebehandeling.
Protocol
Representative Results
Discussion
De zachte laag methode biedt aanzienlijke voordelen vergeleken met de conventionele methoden, en met een lagere productiekosten. Alle drie soorten composieten vervaardigd door de zachte laag methode weergeven unieke kenmerken in termen van de elektrische eigenschappen, mechanische eigenschappen, gas permeabiliteit en hechting eigenschappen
Voor de meting van de elektrische eigenschap, werd een vier-punts sonde-methode gebruikt. ASR was 5 keer gemeten en de gemiddelde waarde werd opgevat als ee…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gesteund door de klimaat verandering onderzoek Hub van KAIST (verlenen nr. N11160012), de toonaangevende buitenlandse Research Instituut Recruitment Program via de nationale onderzoek Stichting van Korea gefinancierd door het ministerie van wetenschap, ICT en toekomst Planning (grant nr. 2011-0030065), de toonaangevende Human Resource trainingsprogramma van Regionale Neo industrie door middel van de nationale onderzoek Stichting van Korea (NRF) gefinancierd door het ministerie van wetenschap, ICT en Planning van de toekomst (verlenen neen. NRF-2016H1D5A1910603). Hun steun zit zeerst zich opwaarderen.
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 |
References
- 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).
