新しい複合加工法の試作: 軟層法による複合表面にファイバーを公開
Summary
ガレージの豊富な領域を排除することによって複合表面にファイバーを公開するためのプロトコルが表示されます。繊維がポストの表面処理ではなく、複合体の製造中にさらされています。公開される炭素複合材料は、板厚方向と高い機械的性質で高い電気伝導度を表わします。
Abstract
バイポーラ プレートは、プロトン交換膜燃料電池 (固体) とバナジウム レドックス フロー電池 (VRFBs) の重要なコンポーネントです。高い電気伝導度、高い機械的性質、高い生産性多機能コンポーネントです。
この点で、炭素繊維/エポキシ樹脂複合材料は多くの固有のもろさのためシステム全体の壊滅的な障害につながる従来の黒鉛セパレーターを交換する理想的な材料をすることができます。炭素繊維/エポキシ複合材料は、高い機械的性質を持って、製造が容易な板厚方向の電気伝導度は樹脂リッチな層がその表面に形成するため貧しいです。したがって、膨張黒鉛コーティングは、導電性の問題を解決するために採択されました。しかし、膨張黒鉛コーティングだけでなく製造コストの増加、貧困層の力学的性質があります。
本研究では複合表面の繊維を公開するメソッドが示されています。複合材料の加工後の表面処理による繊維を公開することができます現在多くの方法があります。ただし、この新しい方法は表面処理を不要繊維、複合材料の製造時に公開されているためです。表面にカーボン ファイバーを公開すると、電気伝導度と複合材料の機械的強度を大幅に増加します。
Introduction
バイポーラ プレートは、エネルギー変換システム、燃料電池や電池などのエネルギー貯蔵システムの多機能キー コンポーネントです。バイポーラ プレートの主要な機能の要件は次のとおりです: 高圧縮圧力と外部の影響と高に耐えられるようにオーム損失、高い機械的性質を減らすために板厚方向の高い電気伝導度大量生産の生産性。
黒鉛とバイポーラ プレート用材料として採用された従来の金属と比較して、炭素繊維/エポキシ複合材料ある高い強度と剛性、システムの重量が大幅に削減できることを示す従来のバイポーラ プレート材料を複合材1に置き換えます。ただし、従来炭素繊維/エポキシ複合材料複合表面上に形成された樹脂リッチな層による大面積比抵抗 (ASR) の結果、板厚方向に電気伝導度貧しいがあります。絶縁樹脂リッチな層は導電性炭素繊維と別のバイポーラ プレート、ガス拡散層、(GDL) など、隣接するコンポーネント間の直接の接触を防ぎ、炭素電極 (CFE) を感じた。
樹脂リッチな層による高い ASR を解決する多くの研究を行った。最初のアプローチは、樹脂リッチな層を選択的に削除する表面処理方法をだった。たとえば、機械的な研磨は表面2に樹脂を削除しようとしています。ただし、炭素繊維も被害を受けた、貧しい ASR につながった。プラズマ治療3,4とマイクロ波治療方法5,6も、ファイバーの破損を避けるために開発されたが、それらは均一化と低生産性で起因しました。2 番目の方法では、導電性層塗装方法には、膨張黒鉛コーティング7,8が含まれています。このメソッドは、正常に ASR を削減、複合バイポーラ プレートを製造するための標準的な方法と見なされています。しかし、それは高価、機械的強度が低いため耐久性・剥離の問題があります。
本研究では複合バイポーラ プレート表面に炭素繊維を公開できる製法小説「軟層法」が示されていますいます。このメソッドの主な目的は、低製造コストの低い ASR を取得することです。ソフト層法は、圧縮型とバイポーラ プレート間高分子リリース フィルムなどの薄いソフト層を採用しています。圧縮型と柔らかな層のデタッチに硬化後バイポーラ製缶は炭素繊維が、後表面処理表面に露出を表示します。このメソッドだけでなく ASR を減少も大幅機械的性質の向上、ガス透過性の問題を解決しました。このメソッドは、他の多くの目的のため適用できる: 導電性プレートの薄い複合材の製造と表面処理なし共同接着剤の試作開発。
Protocol
Representative Results
Discussion
ソフト層法は、製造コストと従来の方法と比較して重要な利点を提供します。3 種類ソフト層法による複合材料のすべては、電気的特性、機械的特性、ガス透過性と接着特性の面でユニークな特性を示します。
電気的特性の測定、4 点プローブ法が使用されました。ASR を 5 回測定し、そのバイポーラ プレートの代表値として平均値をとった。5 つのバイポーラ プレート?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、KAIST の気候変動研究ハブによって支えられた (付与号N11160012)、大手外国研究所募集プログラム韓国国立研究財団によって資金を供給科学省、ICT および将来計画 (グラント 2011-0030065 号)、大手人材トレーニング プログラム地域の新産業を通じて、国立研究財団の韓国 (NRF) とが出資、科学省、ICT 将来計画 (付与なし。NRF-2016H1D5A1910603)。彼らのサポートは大歓迎です。
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).
