Eksperimentelle gennemførelsen af en ny Composite fabrikationsanlæg metode: udsætter nøgne fibre på sammensatte overfladen af metoden bløde lag
Summary
En protokol til at eksponere nøgne fibre på den sammensatte overflade ved at fjerne harpiks rige område er præsenteret. Fibrene er udsat for under fabrikation af kompositter, ikke af post overfladebehandling. De udsatte carbon kompositter udviser høj elektrisk ledningsevne i gennem tykkelse retning og høje mekaniske ejendom.
Abstract
Bipolar pladen er en nøglekomponent i proton exchange membran brændselsceller (PEMFCs) og vanadium redox-flow batterier (VRFBs). Det er en multifunktionel komponent, der skal have høj elektrisk ledningsevne, høje mekaniske egenskaber og høj produktivitet.
I denne forbindelse kan en kulfiber/epoxy harpiks sammensat være et ideelt materiale til at erstatte den konventionelle grafit bipolar plade, som ofte fører til katastrofale svigt af hele systemet på grund af dens iboende sprødhed. Selvom kulstof/epoxy composite har høje mekaniske egenskaber og er nemme at fremstille, er den elektriske ledningsevne i retningen gennem tykkelse fattige på grund af laget harpiks-rige, der danner på dens overflade. Derfor vedtog en ekspanderet grafit belægning for at løse elektriske ledningsevne. Ekspanderet grafit belægningen ikke kun øger produktionsomkostningerne men også har dårlig mekaniske egenskaber.
I denne undersøgelse, er en metode til at afsløre fibre på den sammensatte overflade påvist. Der er i øjeblikket mange metoder, der kan udsætte fibre af overfladebehandling efter fabrikation af composite. Denne nye metode, dog kræve ikke overfladebehandling fordi fibrene er eksponeret under fremstillingen af sammensat. Ved at udsætte nøgne kulfibre på overfladen, er elektriske ledningsevne og mekanisk styrke af composite steget drastisk.
Introduction
Bipolar pladen er en multi-funktionelle nøglekomponent i konvertering energisystemer og energi lagringssystemer som brændselsceller og batterier. De vigtigste funktionelle krav til bipolar pladen er som følger: høj elektrisk ledningsevne i gennem tykkelse retning at reducere ohmske tab, høje mekaniske egenskaber til at modstå høje jordpakning pres og eksterne påvirkninger og høj produktivitet for masseproduktion.
Sammenlignet med grafit og metaller, der vedtog konventionelt som materialer til bipolar pladen, har kulfiber/epoxy kompositter en højere specifik styrke og stivhed, som angiver, at vægten af systemet kan reduceres væsentligt ved erstatte konventionelle bipolar plade-materialer med kompositter1. Konventionelle carbon/epoxy kompositter har dog dårlig elektrisk ledningsevne i retningen gennem tykkelse, hvilket resulterer i et stort areal specifik modstand (ASR), på grund af laget harpiks-rige, der er dannet på den sammensatte overflade. Den isolerende harpiks-rige lag forhindrer direkte kontakt mellem de ledende kulfibre og tilstødende komponenter, såsom en anden bipolar plade, gas diffusion layer (GDL), og kulstof følte elektrode (CFE).
Mange undersøgelser blev udført for at løse den høje ASR på grund af laget harpiks-rige. Den første fremgangsmåde var overfladebehandling metoder til selektivt fjerne harpiks-rige lag. For eksempel, blev mekanisk slid forsøgt at fjerne harpiks på overfladen2. Dog blev carbon fibre også beskadiget, hvilket resulterede i en dårlig ASR. Plasma behandling3,4 og mikroovn behandling metoder5,6 blev også udviklet for at undgå fiber skader, men de resulterede i en lav produktivitet og ensartethed. Den anden tilgang, ledende lag coating metoder, omfatter ekspanderet grafit belægning7,8. Denne metode med held reduceret ASR og er blevet betragtet som en standard metode til at fremstille en sammensat bipolar plade. Men det er dyrt og har holdbarhed og delaminering problemer på grund af lav mekanisk styrke.
I denne undersøgelse, er “bløde lag metode”, en roman fremstillingsmåden, der kan udsætte kulfibre på overfladen sammensatte bipolar plade påvist. Hovedformålet med denne metode er at opnå en lav ASR med en lav fremstillingspris. Metoden bløde lag vedtager et tyndt blødt lag som en polymer release film mellem kompression mug og bipolar plade. Efter hærdning i formen kompression og afmontering af de bløde lag, viser den opdigtede bipolar plade kulfibre udsat på overfladen uden nogen post overfladebehandling. Denne metode ikke blot faldt ASR, men også betydeligt øget de mekaniske egenskaber og løst permeabilitet gasspørgsmålet. Denne metode kan anvendes til mange andre formål: udvikling af en elektrisk ledende plade, fremstilling af en tynd sammensat og fabrikation af klæbemiddel fælles uden overfladebehandling.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den bløde lag metode giver betydelige fordele sammenlignet med de konventionelle metoder, og med en lavere produktionsomkostninger. Alle tre typer af kompositmaterialer fremstillet af metoden bløde lag Vis unikke karakteristika med hensyn til elektriske egenskaber, mekaniske egenskaber, gas permeabilitet og vedhæftning egenskaber.
Til måling af den elektriske ejendom, blev en fire-punkts probe metoden brugt. ASR blev målt 5 gange og gennemsnitsværdien blev taget som en repræsentativ væ…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af klima Change Research Hub af KAIST (give nr. N11160012), førende udenlandske forskning institut rekruttering programmet via den nationale forskning Foundation Korea finansieret af Ministeriet for videnskab, IKT og fremtidige planlægning (grant nr. 2011-0030065), den førende Human ressource træningsprogram af Regionale Neo industri gennem nationale Research Foundation af Korea (NRF) finansieret af Ministeriet for videnskab, IKT og fremtidige planlægning (give nr. NRF-2016H1D5A1910603). Deres støtte er meget værdsat.
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 |
Riferimenti
- 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).
