Summary
Un protocollo per esporre fibre nude sulla superficie del composito eliminando la zona ricca di resina è presentato. Le fibre vengono esposti durante la fabbricazione dei compositi, non mediante il post-trattamento superficiale. I compositi di carbonio esposte presentano alta conduttività elettrica nella direzione di attraverso-spessore ed elevate proprietà meccaniche.
Abstract
La piastra bipolare è un componente chiave in protone cambio membrana le celle a combustibile (PEMFC) e le batterie di flusso redox al vanadio (VRFBs). È un componente multi-funzionale che dovrebbe avere alta conduttività elettrica, elevate proprietà meccaniche e un'elevata produttività.
A questo proposito, un composito di fibra di carbonio/resina epossidica resina può essere un materiale ideale per sostituire la piastra bipolare di grafite convenzionali, che spesso conduce al fallimento catastrofico dell'intero sistema a causa della sua intrinseca fragilità. Anche se il composito di carbonio/epossidica ha elevate caratteristiche meccaniche ed è facile da produrre, la conducibilità elettrica in direzione attraverso-spessore è scarsa a causa dello strato di resina-ricco che si forma sulla sua superficie. Di conseguenza, un rivestimento della grafite espansa è stato adottato per risolvere il problema di conduttività elettrica. Tuttavia, il rivestimento della grafite espansa non solo aumenta i costi di produzione, ma anche ha scarse proprietà meccaniche.
In questo studio, è dimostrato un metodo per esporre le fibre sulla superficie del composito. Ci sono attualmente molti metodi che possono esporre fibre da trattamento superficiale dopo la fabbricazione del composito. Questo nuovo metodo, tuttavia, non richiede trattamento superficiale perché le fibre sono esposti durante la fabbricazione del composito. Esponendo le fibre di carbonio nude sulla superficie, la conduttività elettrica e la resistenza meccanica del composito sono aumentati drasticamente.
Introduction
La piastra bipolare è un componente chiave multi-funzionale dei sistemi di conversione energetica e sistemi di stoccaggio di energia quali le celle a combustibile e batterie. I requisiti funzionali chiave del piatto bipolare sono come segue: alta conduttività elettrica in direzione attraverso-spessore per ridurre ohmico-perdita, alte proprietà meccaniche per resistere a pressione ad alta compattazione e impatti esterni e ad alta produttività per la produzione di massa.
Rispetto alla grafite e metalli che sono state convenzionalmente adottate come materiali per la piastra bipolare, materiali compositi in fibra di carbonio/resina epossidica hanno una più alta forza specifica e la rigidità, che indica che il peso del sistema può essere notevolmente ridotto di sostituendo i materiali convenzionali del piatto bipolare con compositi1. Tuttavia, compositi di carbonio/epossidiche convenzionali hanno scarsa conduttività elettrica in direzione attraverso-spessore, che si traduce in una grande resistenza specifica areal (ASR), a causa dello strato di resina-ricco che si forma sulla superficie del composito. Lo strato di resina-ricco isolante impedisce il contatto diretto tra le fibre di carbonio conduttive e componenti adiacenti, ad esempio un altro piatto bipolare, strato di diffusione del gas (GDL), e carbonio sentivo elettrodo (CFE).
Molti studi sono stati condotti per risolvere l'ASR alta a causa dello strato di resina-ricco. Il primo approccio è stato metodi di trattamento di superficie per rimuovere selettivamente lo strato di resina-ricco. Ad esempio, abrasione meccanica è stata tentata per rimuovere la resina sulla superficie2. Tuttavia, le fibre di carbonio sono stati anche danneggiate, che ha provocato un povero ASR. Plasma trattamento3,4 e forno a microonde trattamento metodi5,6 sono stati sviluppati per evitare danni alle fibre, ma hanno provocato uniformità e bassa produttività. Il secondo approccio, metodi di rivestimento strato conduttivo, include Grafite espansa rivestimento7,8. Questo metodo con successo ridotto l'ASR ed è stato considerato come un metodo standard per la fabbricazione di un piatto bipolare composito. Tuttavia, è costoso e ha problemi di delaminazione e durata a causa della bassa resistenza meccanica.
In questo studio, il "metodo a strati morbido", un romanzo che può esporre a fibre di carbonio sulla superficie della piastra bipolare composito, metodo di fabbricazione è dimostrato. Lo scopo principale di questo metodo è quello di ottenere un basso ASR con un costo di produzione basso. Il metodo di strato morbido adotta un sottile strato di morbido come una pellicola di polimero rilascio tra la muffa di compressione e la piastra bipolare. Dopo l'indurimento nello stampo di compressione e il distacco dello strato morbido, la manifattura di lamiere bipolare Visualizza esposte sulla superficie senza alcun trattamento post-superficie di fibre di carbonio. Questo metodo non solo ha fatto diminuire l'ASR ma anche significativamente aumentato le proprietà meccaniche e risolto il problema di permeabilità del gas. Questo metodo può essere applicato per molti altri scopi: lo sviluppo di una piastra elettricamente conduttiva, la fabbricazione di un composito sottile e la realizzazione di un adesivo misto senza trattamento superficiale.
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Protocol
1. preparazione dei materiali
- preparazione del materiale composito
Nota: attenzione, si prega di consultare tutte le schede di dati di sicurezza (MSDS) prima dell'uso. Molte delle sostanze chimiche utilizzate in questi metodi possono essere tossiche e cancerogene. I nanomateriali possono avere rischi aggiuntivi rispetto ai loro omologhi di massa. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si esegue un esperimento, compreso l'uso di controlli tecnici (cappa, vano portaoggetti) e dispositivi di protezione individuale (occhiali di sicurezza, guanti, camice, pantaloni lunghi, Scarpe chiuse).
Nota: A seconda dell'applicazione, il tipo di fibra di rinforzo può essere uno o una combinazione dei seguenti: unidirezionali in fibra, tessuto, feltro non tessuto, fibra tritata.- Tipo di fibra unidirezionale
- utilizzare materiali compositi pre-impregnati (prepreg), come è il più conveniente usare.
- Stack preimpregnati in una sequenza di impilamento contenente sia 0 ° e 90 ° per evitare la suddivisione. Ad esempio, stack nel [0 3 / 90 3] s.
- Tessuti tipo di tessuto
- preparare il tessuto di carbonio tessuta e tipo di pellicola di resina epossidica. Se si utilizza un prepreg, ignorare i passaggi 1.1.2.1 a 1.1.2.6.
- Pulire il tessuto con 99,5% acetone o altro solvente per lo sgrassaggio. Fare attenzione quando si maneggia il tessuto dopo la pulizia per evitare la contaminazione. Posizionare il tessuto su un panno privo di lanugine o superficie pulito.
- Rimuovere il solvente mediante essiccazione in condizioni ambientali per 10 min.
- Peel off il backup film della resina epossidica e allegare 1 strato di resina epossidica tipo di pellicola a 1 piega di tessuto in carbonio.
- Posizionare il tessuto di carbonio epossidico-attaccato su una piastra calda che è pre-riscaldata a 70 ° C per 10 s per pre-impregnazione.
- Raffreddare il prepreg preparato in condizioni ambientali per 10 min e togliere la pellicola altre backup.
- Pila il tessuto con la sequenza di impilamento desiderata; ad esempio, stack nel [0] 3.
- Feltro tessuto Non tessuto
- preparare il feltro non tessuto.
- Pulire il feltro con 99,5% acetone o altro solvente per lo sgrassaggio. Fare attenzione quando si maneggia il feltro dopo la pulizia per evitare la contaminazione. Posizionare il feltro su un panno privo di lanugine o superficie pulito.
- Peel off il backup film della resina epossidica e collegare 3 strati di resina epossidica tipo di pellicola a 1 piega di carbonio sentito su ogni lato.
- Il carbonio epossidico-attaccato il posto sembrava su una piastra calda che è pre-riscaldata a 70 ° C per 10 s per pre-impregnazione.
- Raffreddare il prepreg preparati nella condizione di ambiente per 10 min e togliere la pellicola altre backup.
- Tipo di fibra unidirezionale
- Preparazione dello strato morbido
Nota: per lo strato morbido, un fluoropolymer come politetrafluoroetilene (PTFE) o etilene propilene fluorurato (FEP), una poliolefina ad esempio polietilene o polipropilene, o un gomma sintetica come la gomma di silicone o un fluoroelastomero può essere utilizzato. In questo protocollo, pellicola di FEP è adottato e sua resa forza gocce drasticamente oltre 120 ° c. 25-µm di spessore FEP è adatto per fibra unidirezionale e compositi di feltro tessuto non tessuto, considerando un FEP di 100 µm di spessore più spesso è opportuno per tessuto materiali compositi di tipo 10.- Cleanse lo strato morbido con 99,5% di acetone. Maneggiare con cura per evitare le rughe e pinholes.
- Wipe off l'acetone sul morbido strato con salviette privo di lanugine. Assicurare che non esiste alcun contaminante sullo strato morbido perché sarà trasferito al composito durante il processo di polimerizzazione. Tenere sempre lo strato morbido lontano da polvere e piccole particelle, perché potrebbero danneggiare non solo il composito, ma anche lo stampo compressione.
2. Fabbricazione di compositi
- installazione dello stampo compressione
- preparare uno stampo di compressione con una cavità di dimensioni 120 × 120 mm.
- Applicare il rilascio dello stampo per la muffa di compressione. Semplicemente incollare o spruzzare il rilascio dello stampo per la muffa e pulire con panno salviettine fino a solo un sottile strato di muffa rilascio resti.
- Tagliare il laminato composito preparato a una dimensione di 118 × 118 mm.
- Posto 1 strati di pellicola di FEP 25 µm di spessore sullo stampo inferiore.
- Posto del laminato composito sul film FEP e posizionare un altro FEP pellicola sul laminato.
- Appiattire lo strato morbido e rimuovere le bolle d'aria che sono intrappolate fra lo strato morbido e laminato composito.
- Chiudere lo stampo per il modanatura di compressione.
- Modanatura di compressione
- riscaldare la pressa a caldo a 150 ° C.
Nota: La temperatura del provino all'interno dello stampo è di 140 ° C in questa condizione. L'uso di una temperatura più bassa è possibile anche se un elastomero o poliolefina è adottato per lo strato morbido. Prendere in considerazione sia la temperatura di polimerizzazione del composito e la temperatura di rammollimento dello strato morbido per determinare la temperatura di polimerizzazione. - Posizionare lo stampo nella pressa calda.
- Applica pressione utilizzando la pressa a caldo; la polimerizzazione pianificazione e pressione dipendono dal tipo composito.
- Per un composito di fibra unidirezionale, applicare una pressione costante di 20 MPa per 30 min; nessun processo aggiuntivo è richiesto.
- Per un composito di tipo di tessuto, applicare 20 MPa. Dopo 4 min e 8 min, rilasciare la pressione applicata a zero e immediatamente applicare di nuovo 20 μPa.
Nota: Questo processo è chiamato l'eliminazione, e il suo scopo è quello di rimuovere resina eccessiva e bolle d'aria intrappolate. Il numero di passi di spurgo può essere aumentato a seconda delle dimensioni del composito; compositi di grandi dimensioni richiedono più di spurgo.- Tuttavia, dopo la viscosità della resina comincia ad aumentare, non eliminare. Cura per 30 min in totale.
- Per un non-tessuto feltro tipo composito, applicare 3 MPa per 30 min. Beware di superamento di pressione, che si tradurrà in vuoti e difetti nel prodotto finale. Aumentare la pressione lentamente per evitare pressione sovraelongazione.
- Raffreddare lo stampo di compressione nella pressa calda senza rilasciare la pressione di sotto di 120 ° C, che è la temperatura di transizione vetrosa del composito fabbricato.
- La pressione di rilascio e rimuovere la muffa di compressione dalla pressa calda.
- Demold il prodotto finale dallo stampo compressione.
- riscaldare la pressa a caldo a 150 ° C.
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Representative Results
Gli esemplari fabbricati sono osservati mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) (Figura 1). Poiché lo strato di resina-ricco che copre la parte superiore delle fibre è solo di pochi micrometri di spessore, un'immagine al microscopio ottica osservata nella parte superiore della provetta non è appropriata. Un'immagine di SEM osservata inclinando l'esemplare di 5° fornisce un'immagine più rappresentativa. Rispetto per i compositi realizzati da stampaggio a compressione convenzionale, che ha la superficie ricoperta di resina, fibre nude sono esposti senza difetti quando i compositi sono fabbricati dal metodo strato morbido. Il metodo morbido strato era applicabile al composito di carbonio unidirezionale, composito di tessuto di carbonio e composito di carbonio al feltro.
Figura 1: immagini al SEM dell'esemplare fabbricato. (un) unidirezionale fibra composito con metodo convenzionale11; (b) unidirezionale in fibra composita con morbido strato metodo11; (c), tessuto composito di tessuto con metodo convenzionale12; (d) tessuto composito di tessuto con morbido strato metodo12; (e), feltro Non tessuto composito con metodo convenzionale13; (f), Non-tessuto feltro composito con morbido strato metodo13. Tutte le immagini di riferimento sono state ristampate con autorizzazione da editori originali. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: prestazioni del piatto bipolare composito. Qui, il valore medio è stato preso come un valore rappresentativo, mentre i valori massimi e minimi sono stati utilizzati per le barre di errore. (un) conduttività elettrica in direzione attraverso-spessore, area di resistenza specifica (ASR) è mostrato; (b) resistenza alla trazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Il metodo morbido strato fornisce significativi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali e con un costo di produzione inferiore. Tutti i tre tipi di compositi realizzati dal metodo morbido strato mostrano caratteristiche uniche in termini di proprietà elettriche, meccaniche, permeabilità ai gas e proprietà di adesione.
Per la misura della proprietà elettriche, è stato utilizzato un metodo di quattro punti sonda. ASR è stato misurato 5 volte e il valore medio è stato preso come un valore rappresentativo per quel piatto bipolare. Un totale di cinque piastre bipolari sono stati misurati e i valori massimo e minimi di ASR sono stati utilizzati per la barra di errore.
La conduttività elettrica in direzione attraverso lo spessore aumenta in modo significativo a causa la fibra di carbonio esposta (Figura 2a) e soddisfa l'obiettivo DOE (dipartimento di energia, Stati Uniti d'America) di ASR < 20 mΩ∙cm2 nell'ambito di un'operazione di compattazione pressione di 1,38 MPa. Per la misura delle proprietà meccaniche, prove di trazione sono state eseguite secondo la norma ASTM D3039. Nove esemplari sono stati testati e il valore medio è stato preso come un valore rappresentativo mentre il massimo e i valori minimi sono stati utilizzati per la barra di errore.
La resistenza alla trazione del composito fibra di carbonio unidirezionale non cambia molto, ma il tessuto di carbonio e materiali compositi di tipo feltro di carbonio mostrano aumenti significativi in resistenza alla trazione del 22% e 15%, rispettivamente, quando viene applicato il metodo di strato morbido. Perché lo strato morbido può applicare una pressione uniforme su tutta la superficie aumenta la resistenza alla trazione. Per questo motivo, la permeabilità ai gas del composito è migliorata come ben10,14. Inoltre, le caratteristiche di adesione sono migliorate grazie alla superficie ruvida generata da fibre15.
Anche se lo strato morbido fornisce vantaggi incomparabili, si dovrebbe prestare attenzione nell'implementazione per ottenere il miglior risultato. In primo luogo, utilizzare uno strato morbido senza pori o difetti. Resina sanguinerà fuori attraverso il foro, che si tradurrà in ammaccature dopo l'indurimento e contaminazione alla muffa e composito. Piccole rughe scompariranno sotto ad alta temperatura e pressione, ma non fori. In secondo luogo, lo spessore dello strato morbido deve tenere conto durante la progettazione di uno stampo, come ad esempio nella progettazione di uno stampo di forma del canale per una cella a combustibile. Misurare lo spessore dello strato morbido dopo l'applicazione di un'identica pressione e temperatura a quello che verrà utilizzato per curare il composito; Questo spessore è adottato per la progettazione dello stampo. Terzo, più strati dello strato morbido sono possibili, ma grande cura deve essere presa, come quando il numero di soft strati aumenta, aumenta la capacità di rimuovere la resina. Tuttavia, le rughe possono apparire sulla superficie del composito. Questo è particolarmente evidente per feltro non tessuto carbonio compositi.
Se le fibre non sono ben esposti, ci sono quattro opzioni tra cui scegliere: aumentare la pressione di polimerizzazione; aumentare la temperatura di polimerizzazione; Selezionare un altro strato di morbido che ha proprietà meccaniche inferiori o proprietà termiche; o fornire una cavità per la resina in eccesso. Poiché il meccanismo di base del metodo morbido strato si trova nella deformazione dello strato morbido sotto la pressione applicata, modificando la pressione o la temperatura di polimerizzazione può migliorare i risultati.
In conclusione, il metodo di strato morbido porta numerosi vantaggi che non erano possibili con altri metodi quando implementato con una cura adeguata. Rispetto ai metodi convenzionali per esporre fibre sulla superficie, il metodo di strato morbido non richiede alcun trattamento superficiale di post, che lo rende un metodo ideale per applicazioni industriali di grandi superfici dove la produttività è un fattore cruciale. Questo metodo può essere ulteriormente espansa di un metodo di fabbricazione di compositi generale o un metodo di trattamento di superficie composita generale.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Questa ricerca è stata sostenuta da clima Change Research Hub del KAIST (concedere no. N11160012), il leader stranieri Research Institute programma di reclutamento attraverso la Fondazione di ricerca nazionale di Corea finanziato dal Ministero della scienza, ICT e futuro pianificazione (concessione n ° 2011-0030065), il programma leader umano formazione risorsa di Industria di Neo regionale attraverso la nazionale Ricerca Fondazione della Corea (NRF) finanziato dal Ministero della scienza, ICT e pianificazione del futuro (grant no. NRF-2016H1D5A1910603). Loro sostegno è molto apprezzato.
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).
