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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנת חומר
- הכנת חומר מרוכב
הערה: זהירות, נא להתייעץ עם כל גליונות נתונים גשמי בטיחות (MSDS) לפני השימוש. כמה מן הכימיקלים שמשתמשים בהם בשיטות האלה עשויים להיות רעילים ומסרטנים. ננו ייתכן מפגעים נוספים לעומת עמיתיהם בצובר. נא להשתמש כל נוהלי בטיחות המתאים בעת ביצוע ניסוי, כולל השימוש של פקדים הנדסה (fume הוד, הכפפות), ציוד מגן אישי (בטיחות משקפיים, כפפות, חלוק המעבדה, מכנסיים באורך מלא, נעליים סגורות).
הערה: בהתאם ליישום, הסוג של חיזוק סיבים יכולים להיות אחד או שילוב של הבאות: סיבים חד כיווני, בדים ארוגים, הרגשתי לא ארוגים, סיבים קצוצים.- סוג סיבים חד כיווני
- להשתמש ספוג טרום חומר מרוכב (prepreg), כפי שהוא הכי נוח להשתמש.
- מחסנית את prepreg ברצף הערימה המכיל 0 ° והן ב- 90 ° כדי למנוע פיצול. לדוגמה, מחסנית לתוך [0 3 / 90 3] s.
- ארוגים סוג הבד
- להכין הבד פחמן ארוגים וסוג הסרט אפוקסי שרף. אם משתמש של prepreg, דלג על שלבים 1.1.2.1 כדי 1.1.2.6.
- לנקות את הבד עם אצטון 99.5% או ממס נוספת עבור חביטה. קח זהירות בעת טיפול הבד לאחר הניקוי כדי למנוע זיהום. מניחים את הבד על מגבון ניקוי פני השטח או נטולת מוך.
- להסיר את הממס ע י ייבוש בתנאי הסביבה במשך 10 דקות
- פיל לצרף רובדי 1 של הסרט-סוג אפוקסי רובדי 1 של פחמן בד לסירוגין הסרט גיבוי של שרף אפוקסי.
- מקום הבד פחמן צמוד-אפוקסי על פלטה חמה כי הוא מחומם מראש עד 70 ° C עבור 10 s מראש מהדברים האלו.
- את prepreg מוכנה בתנאי הסביבה 10 דקות וחותכים לקלף גיבוי בסרט השני.
- מחסנית הבד עם הרצף הערימה הרצויה; לדוגמה, מחסנית לתוך [0] 3-
- הרגיש בלתי ארוגות
- להכין שהמשטח ארוגים.
- לנקות את הלבד עם אצטון 99.5% או ממס נוספת עבור חביטה. קח זהירות בעת טיפול שהמשטח לאחר ניקוי כדי למנוע זיהום. במקום שהמשטח על מגבון ניקוי פני השטח או נטולת מוך.
- פיל הסרט גיבוי של שרף אפוקסי לסירוגין לצרף 3 עננים נים של הסרט-סוג אפוקסי רובדי 1 של פחמן הרגיש בכל צד.
- המקום פחמן אפוקסי-attached הרגיש על פלטה חמה כי הוא מחומם מראש עד 70 ° C עבור 10 s מראש מהדברים האלו.
- את prepreg מוכנה בתנאי הסביבה 10 דקות וחותכים לקלף גיבוי בסרט השני.
- סוג סיבים חד כיווני
- הכנת שכבה רכה
הערה: שכבה רכה, fluoropolymer כגון טפלון (PTFE) או fluorinated אתילן פרופילן (FEP), polyolefin כגון פוליאתילן או פוליפרופילן, או גומי סינתטי כגון גומי סיליקון או של פלואור גומי יכול לשמש. ב פרוטוקול זה, הסרט FEP מאומץ, ומתאים את התשואה כוח טיפות באופן דרסטי מעל 120 ° ג 25-מיקרומטר-עבה FEP סיבים חד כיווני, ארוגים לבד ללא הפרדות צבע, ואילו FEP 100-מיקרומטר-עבה עבה מתאים בדים ארוגים סוג מרוכבים 10.- לטהר השכבה רך עם אצטון 99.5%. לטפל כדי למנוע קמטים pinholes. שכבת
- לנגב את אצטון על הרך עם מגבונים ללא מוך. ודא שאין לא מזהם ברובד רך בגלל זה יועבר החומר המרוכב במהלך תהליך הייבוש. תמיד להשאיר את השכבה רך הרחק אבק וחלקיקים קטנים כי אלה עלולים לגרום נזק לא רק הפרדות צבע, אלא גם את התבנית דחיסה.
2. ייצור מורכב
- התקנה של העובש דחיסה
- להכין תבנית הדחיסה עם חור בגודל 120 מ מ × 120 מ מ.
- חלות על שחרורו עובש כייר דחיסה. פשוט להדביק או לרסס על שחרורו עובש כדי כייר ו לנגב עם מגבונים נטולת עד רק שכבה דקה של עובש שחרור שרידים.
- לחתוך את למינציה משולב מוכן לגודל של 118 מ מ × 118 מ מ.
- מקום 1 רובדי של הסרט FEP מיקרומטר בעובי 25 על העובש נמוך.
- במקום לניליון ללא הפרדות צבע על הסרט FEP ומניחים עוד הסרט FEP על לרבד.
- לשטח שכבה רכה ולהסיר את בועות האוויר כי הם לכודים בין שכבה רכה למינציה מרוכבים.
- סגור, התבנית דחיסה דפוס.
- שהמודעות דחיסה
- חום העיתונות חם ל-150 מעלות צלזיוס
הערה: הטמפרטורה של הדגימה בתוך העובש הוא 140 ° C במצב הזה. השימוש בטמפרטורה נמוכה אפשרי גם אם elastomer או polyolefin של מאומץ לשכבה רכה. שקול גם את הטמפרטורה ריפוי של הפרדות צבע וגם הטמפרטורה ריכוך של השכבה רך כדי לקבוע את הטמפרטורה ריפוי. - מקום העובש בעיתונות חם.
- החל לחץ באמצעות העיתונות חם; את ריפוי לוח הזמנים ואת הלחץ תלוי בסוג ללא הפרדות צבע.
- עבור שילוב סיבים חד כיווני, להחיל בלחץ מתמיד של MPa 20 למשך 30 דקות; אין תהליך נוסף נדרש.
- עבור שילוב סוג בד ארוג, להחיל 20 MPa. לאחר 4 דקות, 8 דקות, לשחרר את הלחץ יישומית לאפס, להחיל מיד 20 MPa שוב.
הערה: תהליך זה נקרא טיהור, מטרתו היא שרף מופרז הסרה של בועות אוויר כלואה. ניתן להגדיל את מספר השלבים מטהרת בהתאם לגודל של הפרדות צבע; ללא הפרדות צבע גודל גדול יותר דורשים טיהור נוסף.- עם זאת, אחרי צמיגות של השרף מתחיל להגדיל, לא למחוק לצמיתות. התרופה למשך 30 דקות סה כ.
- עבור ארוגים הרגשתי סוג מורכב, להחיל MPa 3 במשך 30 דקות להיזהר של הלחץ להחטיא, אשר תגרום חללים פגמים במוצר הסופי. להגביר את הלחץ באיטיות כדי למנוע לחץ להחטיא.
- מגניב כייר דחיסה בעיתונות חם מבלי לשחרר את הלחץ כדי להלן 120 ° C, המהווה טמפרטורת המעבר זכוכית של החומר המרוכב מפוברק.
- לשחרר את הלחץ ולהסיר את התבנית דחיסה מהעיתונות חם.
- Demold את המוצר הסופי של העובש דחיסה.
- חום העיתונות חם ל-150 מעלות צלזיוס
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
דגימות מפוברק שנצפו באמצעות מיקרוסקופיית אלקטרונים סריקה (SEM) (איור 1). כי השכבה שרף-עשיר המכסה העליון של הסיבים הוא רק בעובי כמה מיקרומטר, תמונה מיקרוסקופית אופטי נצפתה בחלק העליון של הדגימה אינה הולמת תמונת SEM שנצפה על ידי הטיית הדגימה על ידי 5° מספק תמונת הנציגה יותר. בהשוואה של תערובות מפוברק על ידי הרגיל דחיסה דפוס, בעל פני השטח שלו מכוסים שרף, סיבי חשופות חשופים ללא פגמים כאשר תערובות מיוצרים בשיטת שכבה רכה. השיטה שכבה רכה היה ישים אל מתכת חד כיווני, בד מתכת, מתכת הרגיש.
איור 1: תמונות SEM של הדגימה מפוברק. () Unidirectional סיבים מרוכבים עם השיטה המקובלת11; (b) Unidirectional סיבים מרוכבים עם שכבה רכה שיטה11; (ג) ארוגה מורכב בד עם השיטה המקובלת12; (ד) ארוגה מורכב בד עם שכבה רכה שיטת12; (e) לא ארוגים הרגיש מרוכבים עם השיטה המקובלת13; (f) בלתי ארוגות הרגיש מרוכבים עם שכבה רכה שיטת13. יש כבר הודפס מחדש כל התמונות המופנה באישור ממפרסמים המקורי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2: ביצועים של צלחת דו-קוטבי מרוכבים. כאן, הערך הממוצע נלקח כערך נציג, בעוד הערכים המזערי והמרבי שימשו קווי השגיאה. () מוליכות חשמלית בכיוון דרך-עובי, אזור ההתנגדות ספציפי (ASR) מוצג; (b) חוזק. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 נקודות בדיקה. ASR נמדדה 5 פעמים, הערך הממוצע נלקח כערך נציג על הצלחת דו קוטבית הזאת. בסך הכל חמישה לוחות דו קוטבית נמדדו, הערכים ASR המזערי והמרבי שימשו עבור שורת שגיאות.
מוליכות חשמלית בכיוון דרך-עובי מגביר באופן משמעותי בשל סיבי פחמן חשוף (איור 2 א) ויספקו המטרה DOE (המחלקה של אנרגיה, ארצות הברית) של ASR < mΩ∙cm 202 תחת דחיסה הלחץ של MPa 1.38 אינץ. מדידות המאפיין מכני, בוצעו בדיקות מתיחה על פי ASTM D3039. 9 דגימות נבדקו ו הערך הממוצע נלקח כערך נציג בזמן המרבי ערכי מינימום שימשו עבור שורת שגיאות.
חוזק מתיחה של סיבי פחמן חד כיווני הפרדות צבע לא משנה הרבה, אך הפחמן בד, לוחות על בסיס פחמן סוג חש עליות משמעותיות חוזק מתיחה של 22%, 15%, בהתאמה, כאשר השיטה שכבה רכה מוחל. חוזק מתיחה עולה כי השכבה רך ניתן להחיל לחץ אחיד על פני השטח כולו. מסיבה זו, חל שיפור את הדלק החדירות של הפרדות צבע טוב10,14. בנוסף, המאפיינים אדהזיה שיפור עקב השטח המחוספסים שנוצר על ידי סיבי ה-15.
אף על פי שכבה רכה מספק יתרונות האחד והיחיד, להקפיד על יישום כדי להשיג את התוצאה הטובה ביותר. תחילה, השתמש שכבה רכה ללא נקבוביות או פגמים. שרף ידמם החוצה דרך החור, אשר תגרום בגומות לאחר ריפוי כמו גם זיהום וכלה עובש מרוכבים. קטין קמטים ייעלמו תחת טמפרטורה גבוהה ובלחץ, אך לא יוכלו חורים. שנית, עובי השכבה רך חייב להילקח בחשבון בעת עיצוב תבנית, כגון עיצוב של תבנית ערוץ-צורה עבור תא דלק. למדוד את עובי השכבה הרכה לאחר החלת זהה בלחץ וטמפרטורה של מה ישמש כדי לרפא את הפרדות צבע; עובי זה בסדר להיות מאומץ על עיצוב כייר. שלישית, עננים נים מרובים של השכבה רך, אך זהירות רבה להתייחס, כמו כאשר מספר רך שכבות בעליות, מגביר היכולת להסיר שרף. עם זאת, קמטים עשויה להופיע על פני השטח composite. זה מורגש במיוחד עבור פחמן ארוגים הרגיש ללא הפרדות צבע.
הסיבים אינם נחשפים, ובכן, האם יש ארבע אפשרויות לבחירה: להגביר את הלחץ ריפוי; מעלה את הטמפרטורה ריפוי; בחר שכבה רכה נוספת, שיש לו תכונות מכאניות נמוכות או מאפיינים תרמית; או לספק חלל שרף עודף. כי המנגנון הבסיסי של השיטה שכבה רכה טמון להרכב של השכבה רך תחת הלחץ יישומית, שינוי של לחץ או טמפרטורה ריפוי עשוי לשפר את התוצאות.
לסיכום, שיטת שכבה רכה מביא יתרונות רבים שלא היו אפשריים עם שיטות אחרות כאשר מיושמת בעזרת טיפול מתאים. בהשוואה לשיטות קונבנציונליות כדי לחשוף סיבים על פני השטח, השיטה שכבה רכה לא דורשת טיפול פני שטח כל פוסט, שהופך אותו שיטה אידיאלית עבור יישומים תעשייתיים גדולים-האזור שבו הפרודוקטיביות הוא גורם מכריע. בשיטה זו ניתן להרחיב עוד שיטה כללית ייצור מורכבים או שיטת טיפול פני שטח ללא הפרדות צבע כללי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
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
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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).
