Experimentelle Umsetzung einer neuen Composite Fertigung-Methode: Verfügbarmachen nackten Fasern auf die zusammengesetzte Fläche durch die weiche Schicht-Methode
Summary
Ein Protokoll zum nackten Fasern auf die zusammengesetzte Fläche verfügbar zu machen, durch den Wegfall von Harz reichen Gegend präsentiert. Die Fasern sind bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen, nicht durch die Post Oberflächenbehandlung ausgesetzt. Die exponierte Carbon Composites weisen hohe elektrischen Leitfähigkeit in der Richtung der durch dicke und hohe mechanische Eigenschaften.
Abstract
Bipolarplatte ist eine wichtige Komponente Proton Exchange Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) und Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFBs). Es ist eine Multi-funktionale Komponente, die hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe mechanische Eigenschaften und hohe Produktivität haben sollte.
In diesem Zusammenhang kann ein Kohlefaser/Epoxy-Harz-Verbund ein ideales Material für konventionelle Graphit Bipolarplatte ersetzen führt oft zu den schwerwiegenden Fehler des Gesamtsystems aufgrund seiner inhärenten Sprödigkeit. Obwohl die Carbon/Epoxy-Composite hohe mechanische Eigenschaften hat und ist einfach herzustellen, ist die elektrische Leitfähigkeit in Pfeilrichtung durch dicke schlecht wegen der Harz-reiche Schicht, die auf seiner Oberfläche bildet. Daher wurde eine expandiertem Graphit Beschichtung angenommen, um die elektrische Leitfähigkeit-Problem zu lösen. Jedoch die expandiertem Graphit Beschichtung nicht nur erhöht die Herstellungskosten, sondern hat auch schlechte mechanische Eigenschaften.
In dieser Studie zeigt eine Methode, um die Fasern auf die zusammengesetzte Fläche verfügbar zu machen. Es gibt derzeit viele Methoden, die Fasern durch Oberflächenbehandlung nach der Herstellung des Verbundes verfügbar machen können. Diese neue Methode, erfordert jedoch keine Oberflächenbehandlung, weil die Fasern bei der Herstellung des Verbundes ausgesetzt sind. Durch die Aufdeckung nackten Kohlenstoff-Fasern auf der Oberfläche, die elektrische Leitfähigkeit und die mechanische Festigkeit des Verbundes werden drastisch erhöht.
Introduction
Bipolarplatte ist eine multifunktionale Schlüsselkomponente der Energiewandlungssysteme und Energiespeicher wie Brennstoffzellen und Batterien. Die wichtigsten funktionellen Anforderungen der Bipolarplatte sind wie folgt: hohe elektrische Leitfähigkeit in Pfeilrichtung durch dicke, ohmsche Verluste, hohe mechanische Eigenschaften widerstehen hohen Verdichtungsdruck und äußere Einflüsse und hohe zu reduzieren Produktivität für die Massenproduktion.
Kohlefaser/Epoxy Composites haben gegenüber den Graphit und Metalle, die konventionell als Material für die Bipolarplatte angenommen wurden, eine höhere spezifische Festigkeit und Steifigkeit, was darauf hindeutet, dass das Gewicht des Systems erheblich gesenkt werden kann die konventionelle Bipolarplatte Materialien durch Verbundwerkstoffe1zu ersetzen. Konventionelle Carbon/Epoxy Composites haben schlechte elektrischen Leitfähigkeit in Pfeilrichtung durch dicke, führt zu einer großen areal spezifische Widerstand (ASR), jedoch aufgrund der Harz-reiche Schicht, die auf die zusammengesetzte Fläche gebildet wird. Die isolierende Schicht Harz-reichen verhindert den direkten Kontakt zwischen dem leitfähigen Kohlefasern und angrenzenden Bauteilen, wie z. B. ein anderes Bipolarplatte, Gasdiffusionslage (GDL) und Kohlenstoff fühlte Elektrode (CFE).
Viele Studien wurden durchgeführt, um die hohen ASR aufgrund der Harz-reiche Schicht zu beheben. Die erste Methode bestand Oberflächenbehandlung Methoden, um gezielt die Harz-reiche Schicht zu entfernen. Zum Beispiel wurde mechanischem Abrieb versucht, das Harz auf der Oberfläche2entfernen. Jedoch wurden die Carbonfasern auch beschädigt, führte dazu, dass eine schlechte ASR. Plasma Behandlung3,4 und Mikrowelle Behandlung Methoden5,6 wurden auch entwickelt, um die Faser Schäden zu vermeiden, aber sie führte zu niedrigen Produktivität und Einheitlichkeit. Der zweite Ansatz, elektrisch leitende Schicht Beschichtungsverfahren umfasst expandiertem Graphit Beschichtung7,8. Diese Methode erfolgreich reduziert die ASR und ist als standard-Methode zur Herstellung einer zusammengesetzten Bipolarplatte angesehen worden. Aber es ist kostspielig und Haltbarkeit und Delamination Probleme aufgrund der geringen mechanischen Festigkeit hat.
In dieser Studie wird die “weiche Schicht-Methode”, ein neuartiges Herstellungsverfahren, die Kohlenstoff-Fasern auf der Oberfläche zusammengesetzte Bipolarplatte aussetzen können demonstriert. Der Hauptzweck dieser Methode ist, eine niedrige ASR mit einem niedrigen Herstellungskosten zu erhalten. Die weiche Schicht Methode nimmt eine dünne weiche Schicht wie ein Polymer-Trennfolie zwischen der Kompression Schimmel und Bipolarplatte. Nach dem Aushärten in der Kompression Schimmel und die Ablösung der weiche Schicht zeigt fabrizierten Bipolarplatte Kohlenstoff-Fasern auf der Oberfläche ohne Post-Oberflächen Behandlung ausgesetzt. Diese Methode nicht nur verringerte sich die ASR aber auch deutlich erhöht die mechanischen Eigenschaften und die Gas-Durchlässigkeit-Problem gelöst. Diese Methode kann angewendet werden, für viele andere Zwecke: die Entwicklung einer elektrisch leitfähigen Platte, die Herstellung von dünnen Komposit und der Herstellung einer Klebeverbindung ohne Oberflächenbehandlung.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die weiche Schicht-Methode bietet erhebliche Vorteile im Vergleich mit konventionellen Methoden und mit einer niedrigeren Herstellungskosten. Alle drei Arten von Verbundwerkstoffen hergestellt durch die weiche Schicht Methode zeigen einzigartige Eigenschaften in Bezug auf die elektrischen Eigenschaften, mechanische Eigenschaften, Gasdurchlässigkeit und Hafteigenschaften.
Für die Messung der elektrischen Eigenschaft war eine Vierpunkt-Probe-Methode verwendet. ASR wurde 5 Mal gemessen und der …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde unterstützt durch den Klima Wandel Forschung Hub von KAIST (gewähren Nr. N11160012), der führende ausländische Forschung Institut Recruitment-Programm durch die National Research Foundation of Korea finanziert vom Ministerium für Wissenschaft, IKT und Zukunft planen (Grant Nr. 2011-0030065), der führenden Human Ressource Trainingsprogramm von Regionale Neo-Industrie durch die National Research Foundation von Korea (NRF) gefördert durch das Ministerium für Wissenschaft, IKT und Zukunft planen (keine zu gewähren. NRF-2016H1D5A1910603). Ihre Unterstützung wird sehr geschätzt.
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).
