Экспериментальное осуществление нового метода составных изготовление: обнажая голые волокна на поверхности композитного методом мягкого слоя
Summary
Протокол подвергать голые волокна на поверхности композитного, устраняя смолы богатые области представлен. Волокна подвергаются во время Изготовление композиционных материалов, не на пост обработки поверхности. Подвергаются углеродных композитов обладают высокой электрической проводимостью в направлении через толщины и высокие механические свойства.
Abstract
Биполярный пластина является ключевым компонентом в протонного обмена мембраны топливных элементов (PEMFCs) и ванадия редокс потока батареи (VRFBs). Это многофункциональный компонент, который должен иметь высокой электрической проводимостью, высокие механические свойства и высокую производительность.
В этой связи составной углеродного волокна/эпоксидная смола может быть идеальным материалом для замены обычных графит биполярного плита, которая часто приводит к катастрофическому разрушению всей системы из-за присущего хрупкости. Хотя углерода/эпоксидного композита имеет высокие механические свойства и просты в изготовлении, электрическая проводимость в направлении через толщины бедных из-за слой смолы-богатые люди, который образует на своей поверхности. Таким образом покрытие расширенного графита был принят для решения проблемы электрической проводимости. Однако расширенного графита покрытие не только увеличивает издержки производства, но также имеет плохой механические свойства.
В этом исследовании демонстрируется метод подвергать волокна на поверхности составных. Есть в настоящее время многие методы, которые можно предоставить волокон, обработка поверхности после изготовления композита. Этот новый метод, однако, не требует обработки поверхности потому что волокна подвергаются во время изготовления композита. Подвергая голой волокна углерода на поверхности, электропроводность и механическую прочность композита резко возросло.
Introduction
Биполярный пластина является многофункциональным ключевым компонентом систем преобразования энергии и систем хранения энергии таких как топливные элементы и батареи. Основные функциональные требования Биполярные пластины являются следующие: высокая электропроводность в направлении через толщины для уменьшения омические потери, высокие механические свойства выдерживать давление высокое уплотнение и внешнего воздействия и высокого производительность для массового производства.
По сравнению с графитом и металлов, которые традиционно были приняты в качестве материалов для биполярного плиты, углеродное волокно/эпоксидная композитов имеют выше удельная прочность и жесткость, которая указывает, что вес системы может быть значительно уменьшена Замена обычных биполярного плитных материалов с композиты1. Однако обычные углерода/эпоксидная композиты у бедных электрической проводимости в направлении через толщины, что приводит к большой ареал удельное сопротивление (ASR), из-за слой смолы богатые, который образуется на поверхности составного. Изоляционный слой смолы богатые предотвращает прямой контакт между проводящих углеродных волокон и смежными компонентами, такими как другой Биполярные пластины, газовой диффузии слой (GDL), и углерода чувствовал электрода (ДОВСЕ).
Многие исследования были проведены для разрешения высокая ASR из-за слоя смолы-богатые люди. Первый подход был методы обработки поверхности выборочно удалить слой смолы-богатые люди. Например чтобы удалить смолы на поверхности2предпринята попытка механического истирания. Однако углеродные волокна были также повреждены, что привело к бедным ASR. Плазмы лечения3,4 и микроволновой лечения методы5,6 были также разработаны во избежание повреждение волокон, но они привели к низкой производительности и единообразия. Второй подход, проводящий слой покрытия методы, включает в себя расширенный графит, покрытие7,8. Этот метод успешно сократить ASR и рассматривалось как стандартный метод для производства композитных биполярного пластины. Однако он является дорогостоящим и имеет долговечность и расслаивания проблемы из-за низкой механической прочностью.
В этом исследовании продемонстрировал «метод мягкого слоя», роман производства метод, который может предоставлять волокна углерода на поверхности составных Биполярные пластины. Основная цель данного метода является получить низкий ASR с низкой стоимости производства. Мягкий слой метод принимает тонкий мягкий слой как разделительная плёнка полимера между сжатия плесени и биполярные пластины. После отверждения в сжатия плесени и отсоединение мягкого слоя, сфабрикованные биполярного пластины отображает углеродных волокон, выставленные на поверхности без каких-либо после поверхностной обработки. Этот метод не только снизился ASR, но также значительно увеличение механических свойств и решена проблема проницаемости газа. Этот метод может применяться для многих других целей: развитие электропроводных пластины, производство тонкой составной и изготовления клеевого соединения без обработки поверхности.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мягкий слой метод обеспечивает значительные преимущества по сравнению с традиционными методами и с более низкой стоимостью производства. Все три типа композитов, изготовленных методом мягкого слоя показывают уникальные характеристики с точки зрения электрических свойств, механичес…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано KAIST концентратор исследований изменения климата (Грант № N11160012), ведущих зарубежных исследований Института набора программы через Национальный исследовательский фонд Кореи финансируется министерством науки, ИКТ и будущего планирования (Грант № 2011-0030065), ведущий людских ресурсов учебной программы Региональные Neo промышленности через национальных исследований фонда из Кореи (NRF) финансируется министерством науки, ИКТ и будущего планирования (Грант нет. NRF-2016H1D5A1910603). Их поддержка очень ценится.
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).
