Experimentell genomförandet av en ny komposit Fabrication metod: utsätta Bare fibrer på sammansatta ytan av metoden mjuka lager
Summary
Ett protokoll att exponera bare fibrer på sammansatta ytan genom att eliminera harts rika område presenteras. Fibrerna utsätts under tillverkning av kompositer, inte genom inlägg ytbehandling. De exponerade kolfiber kompositer uppvisar hög elektrisk ledningsförmåga i genom-tjocklek riktning och höga mekaniska egenskaper.
Abstract
Den bipolära plattan är en nyckelkomponent i proton exchange membran bränsleceller (PEMFCs) och vanadin redox flöde batterier (VRFBs). Det är en multifunktionell komponent som bör ha hög elektrisk ledningsförmåga, höga mekaniska egenskaper och hög produktivitet.
I detta sammanhang kan en kolfiber/epoxi harts komposit vara ett idealiskt material att ersätta konventionella grafit bipolära plattan, vilket ofta leder till katastrofala misslyckande hela systemet på grund av dess inneboende sprödhet. Även kol/epoxi sammansatt har höga mekaniska egenskaper och är lätt att tillverka, är den elektriska ledningsförmågan i genom-tjocklek riktning fattiga på grund av hartsa-rikt skiktet som bildas på dess yta. Därför antogs en expanderad grafit beläggning på elektrisk ledningsförmåga problemet. Expanderad grafit beläggningen inte bara ökar fabriks-kostar men har också dåliga mekaniska egenskaper.
I denna studie demonstreras en metod att exponera fibrer på sammansatta ytan. Det finns för närvarande många metoder som kan exponera fibrer av ytbehandling efter tillverkning av komposit. Denna nya metod, dock kräver inte ytbehandling eftersom fibrerna utsätts under tillverkningen av sammansatt. Genom att exponera bare kolfibrer på ytan, är den elektriska ledningsförmåga och mekanisk styrka av sammansatt ökat drastiskt.
Introduction
Den bipolära plattan är en multifunktionell nyckelkomponent i konvertering energisystem och energilagringssystem som bränsleceller och batterier. De viktigaste funktionella kraven på bipolära plattan är följande: hög elektrisk ledningsförmåga i genom-tjocklek riktning att minska ohmsk-förlust, höga mekaniska egenskaper för att motstå hög komprimering trycket och yttre påverkan, och hög produktivitet för massproduktion.
Jämfört med grafit och metaller som antogs konventionellt som material för bipolära plattan, har kolfiber/epoxi kompositer en högre specifik styrka och styvhet, vilket indikerar att vikten av systemet kan minskas kraftigt genom ersätta de konventionella bipolär plattmaterial med kompositer1. Konventionella kolfiber/epoxi kompositer har dock dålig elektrisk ledningsförmåga i genom-tjocklek riktning, vilket resulterar i ett stort areala specifika motstånd (ASR), på grund av hartsa-rikt skiktet som bildas på sammansatta ytan. Det isolerande hartsa-rikt lagret förhindrar direktkontakt mellan ledande kolfibrer och intilliggande komponenter, till exempel en annan bipolär tallrik, gas diffusion layer (GDL), och kol kände elektrod (CFE).
Många studier har utförts för att lösa hög ASR på grund av lagrets hartsa-rikt. Den första metoden var ytbehandling metoder att selektivt avlägsna hartsa-rikt lagret. Exempelvis var mekanisk nötning försökte få bort kådan på surface2. Dock skadades också av kolfibrer, vilket resulterade i en dålig ASR. Plasma behandling3,4 och mikrovågsugn behandling metoder5,6 utvecklades också för att undvika fiber skador, men de resulterat i låga produktivitet och enhetlighet. Det andra synsättet, ledande skikt beläggning metoder, inkluderar expanderad grafit beläggning7,8. Denna metod framgångsrikt minskat ASR och har betraktats som en standardmetod att tillverka en sammansatt bipolära plattan. Men det är dyrt och har hållbarhet och delaminering problem på grund av låg mekanisk hållfasthet.
I denna studie demonstreras ”mjuka lager metoden”, en roman som tillverkning metod som kan avslöja kolfibrer på sammansatta bipolära plattan ytan. Det huvudsakliga syftet med denna metod är att få en låg ASR med en låg tillverkningskostnad. Den mjuka lager metoden antar mjukt tunt såsom en polymer släppfilm mellan komprimering mögel och bipolära plattan. Efter härdning i komprimering mögel och demontering av det mjuka lagret, visar fabricerade bipolära plattan kolfibrer utsatta på ytan utan någon efter ytbehandling. Denna metod inte bara minskade ASR men också avsevärt ökade mekaniska egenskaper och löst gas permeabilitet frågan. Denna metod kan tillämpas för många andra ändamål: utvecklingen av ett elektriskt ledande plattan, framställning av en tunn komposit, och tillverkning av klister gemensamma utan ytbehandling.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mjuka lager metoden ger betydande fördelar jämfört med konventionella metoder, och med en lägre tillverkningskostnad. Alla tre typer av kompositer som tillverkas av mjuk lager metoden visar unika egenskaper när det gäller den elektriska egenskaper, mekaniska egenskaper, gas permeabilitet och vidhäftning.
För mätning av elektriska boendet användes en fyra-peka sonden metod. ASR mättes 5 gånger och medelvärdet togs som ett representativt värde för det bipolära pläterar. Sammanla…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöddes av de klimat förändring forskning Hub för KAIST (bevilja No. N11160012), ledande utländska forskning Institutet rekrytering programmet genom National Research Foundation Koreas finansieras av ministeriet för vetenskap, IKT och framtiden Planeringsbidrag (nr 2011-0030065), ledande mänsklig resurs träningsprogrammet i Regionala Neo industrin genom de nationella forskning stiftelsen av Korea (NRF) finansieras av ministeriet för vetenskap, IKT och framtida planering (bevilja nr. NRF-2016H1D5A1910603). Deras stöd är mycket uppskattat.
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).
