יישום ניסיוני של שיטת ייצור ללא הפרדות צבע חדשה: חשיפת סיבי חשופות על פני השטח Composite בשיטת שכבה רכה
Summary
פרוטוקול לחשוף סיבי חשופות על פני השטח composite על ידי ביטול אזור עשיר שרף מוצג. הסיבים נחשפים במהלך ייצור של הפרדות צבע, לא על ידי טיפול פני שטח פוסט. לוחות על בסיס פחמן חשוף התערוכה מוליכות חשמלית גבוהה כיוון דרך-עובי, המאפיין מכנית גבוהה.
Abstract
לוח דו קוטבי הוא רכיב מפתח פרוטון חילופי דלק תאים הממברנה (PEMFCs), זרימה סוללות ונדיום חמצון-חיזור (VRFBs). זה מרכיב רב תפקודי צריך מוליכות חשמלית גבוהה, גבוהה תכונות מכניות, פרודוקטיביות גבוהה.
בהקשר זה, ניתן ללא הפרדות צבע של שרף אפוקסי סיבי פחמן חומר אידיאלי כדי להחליף את הצלחת דו קוטבית גרפיט קונבנציונאלי, אשר מובילה לעיתים קרובות כשל קטסטרופי של המערכת כולה בגלל שלה פריכות הטבועה. אבל הפרדות צבע אפוקסי פחמן יש תכונות מכניות גבוהה והוא קל לייצר, מוליכות חשמלית בכיוון דרך-עובי הוא עני בגלל השכבה שרף-עשיר מתפתח על פני השטח שלו. לכן, ציפוי מבטל גרפיט המורחב אומצה לפתרון הבעיה מוליכות חשמלית. עם זאת, הציפוי גרפיט המורחב לא רק מגביר את עלויות הייצור אלא יש גם תכונות מכניות המסכן.
במחקר זה, הוכח שיטה לחשוף סיבים על פני השטח composite. ישנן שיטות רבות כיום זה יכול לחשוף סיבים על ידי טיפול פני שטח לאחר הזיוף של הפרדות צבע. שיטה חדשה, עם זאת, אינו מצריך טיפול פני שטח כי הסיבים נחשפים במהלך הייצור של הפרדות צבע. על ידי חשיפת סיבי פחמן חשופות על פני השטח, מוליכות חשמלית, חוזק מכני רב, הפרדות צבע הם עלה באופן דרסטי.
Introduction
לוח דו קוטבית is a רכיב מפתח רב תפקודי מערכות ההמרה אנרגיה ומערכות אחסון אנרגיה כגון תאי דלק וסוללות. הדרישות הפונקציונליות מפתח של צלחת דו-קוטבית הם כדלקמן: מוליכות חשמלית גבוהה בכיוון דרך-עובי כדי להפחית את תכונות מכניות ohmic-הפסד, גבוהה כדי לעמוד בפני לחץ הדחיסה גבוהה השפעות חיצוניות, ואני גבוהה פרודוקטיביות לייצור המוני.
בהשוואה של גרפיט, מתכות שאומצו כמקובל כמו חומרים עבור לוח דו קוטבי, אפוקסי סיב פחמן מרוכבים יש כוח מסוים גבוה יותר, נוקשות, אשר מציין כי ניתן להפחית במידה רבה המשקל של המערכת על ידי החלפת החומרים קונבנציונאלי צלחת דו קוטבי עם מרוכבים1. אולם, קונבנציונאלי אפוקסי פחמן מרוכבים יש מוליכות חשמלית המסכן לכיוון דרך-עובי, שתוצאתה התנגדות ספציפית אמיתיות (ASR) גדול, בשל השכבה שרף-עשיר נוצרת על פני השטח composite. השכבה שרף-עשיר בידוד מונע מגע ישיר בין סיבי פחמן מוליך לבין רכיבים סמוכים, כגון עוד צלחת דו-קוטבי, גז פעפוע שכבה (GDL), והרגשתי פחמן האלקטרודה (CFE).
מחקרים רבים נערכו כדי לפתור את ASR גבוהה עקב השכבה שרף-עשיר. הגישה הראשונה היה שיטות טיפול פני שטח כדי להסיר באופן סלקטיבי את שכבת שרף-עשיר. לדוגמה, בשחיקה מכני בוצע ניסיון להסיר השרף על פני2. עם זאת, סיבי פחמן גם נפגעו, אשר גרמו ASR המסכן. פלזמה טיפול3,4 , מיקרוגל הטיפול בשיטות5,6 פותחו גם כדי למנוע נזק סיבים, אך הם גרמו פריון נמוך ואחידות. הגישה השניה, בשיטות ציפוי שכבת מוליך, כולל גרפיט המורחב ציפוי7,8. שיטה זו בהצלחה מופחתת של ASR, יש נחשב שיטה סטנדרטית לייצור צלחת דו קוטבי ללא הפרדות צבע. עם זאת, הוא יקר ויש עמידות ובעיות delamination עקב חוזק מכני נמוך.
במחקר זה, “שכבה רכה השיטה”, רומן ייצור השיטה יכולה לחשוף את סיבי פחמן על פני צלחת דו קוטבי ללא הפרדות צבע, הוא הפגין. המטרה העיקרית של שיטה זו הוא לקבל ASR נמוך עם עלות הייצור נמוך. השיטה שכבה רכה מאמצת שכבה דקה רך כגון סרט שחרור פולימר בין דחיסה עובש צלחת הפרעה דו קוטבית. לאחר ריפוי ב כייר דחיסה וניתוק של השכבה הרכה, הצלחת דו קוטבית מפוברק מציג סיבי פחמן נחשף על פני השטח ללא כל טיפול פוסט-פני השטח. שיטה זו לא רק ירידה של ASR אבל משמעותי גם גדל התכונות המכאניות, פתר את הבעיה חדירות גזים. יכול להיות מיושם בשיטה זו למטרות רבות אחרות: הפיתוח של צלחת מוליכות חשמלית, הייצור של שילוב דק, הזיוף של דבק משותפת ללא טיפול פני שטח.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטה שכבה רכה מספק יתרונות משמעותיים בהשוואה עם שיטות קונבנציונליות, ועם עלות הייצור נמוכה יותר. שלושת סוגי תערובות המיוצרים בשיטת שכבה רכה מראים מאפיינים ייחודיים במונחים תכונות חשמליות, תכונות מכניות, חדירות גזים ומאפיינים אדהזיה.
מדידות המאפיין חשמל, שימש שיטה 4 נקודו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי האקלים שינוי מחקר ה-Hub של KAIST (מענק מס N11160012), מובילים זרים מחקר מכון גיוס התוכנית באמצעות קרן המחקר הלאומי של קוריאה במימון משרד המדע, ICT ותכנון העתיד (גרנט מס ‘ 2011-0030065), מובילים האנושי משאב לתוכנית ההכשרה של ניאו אזורי תעשייה דרך לאומי מחקר קרן של קוריאה (ב- NRF) במימון של משרד המדע, ICT ותכנון העתיד (מענק. לא. NRF-2016H1D5A1910603). אנו מעריכים מאוד את התמיכה שלהם.
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).
