Summary
Reçine zengin alan ortadan kaldırarak kompozit yüzey üzerinde çıplak lifleri ortaya çıkarmak için bir protokol sunulmuştur. Lifler ve kompozitler, imalat sırasında değil sonrası yüzey işlem tarafından sunulur. Maruz kalan karbon kompozit kalınlığı ile yön ve yüksek mekanik özelliği yüksek elektriksel iletkenlik sergi.
Abstract
İki kutuplu plaka proton exchange membran yakıt hücreleri (PEMFCs) ve vanadyum Redoks akışı pil (VRFBs) önemli bir bileşenidir. Yüksek elektrik iletkenliği, yüksek mekanik özellikleri ve yüksek verimlilik çok fonksiyonlu bir bileşenidir.
Bu bağlamda, karbon fiber/epoksi reçine bileşik genellikle sistemin tamamı felaket başarısızlık nedeniyle onun doğasında kırılganlık açar geleneksel grafit İki kutuplu plaka değiştirmek için ideal bir malzeme olabilir. Karbon/epoksi kompozit yüksek mekanik özellikleri vardır ve üretmek kolaydır kalınlığı ile yönde elektriksel iletkenlik yüzeyinde formları reçine zengini katman nedeniyle fakir olsa da. Bu nedenle, bir genişletilmiş grafit kaplama elektriksel iletkenlik sorunu çözmek için kabul edilmiştir. Ancak, genişletilmiş grafit kaplama sadece üretim maliyeti artar ama zavallı mekanik özelliklerine de sahip olan.
Bu çalışmada, elyaf kompozit yüzeyinde ortaya çıkarmak için bir yöntem gösterilmiştir. Elyaf kompozit imalatı sonra yüzey işlem tarafından açığa çıkarabilir şu anda pek çok yöntem vardır. Elyaf kompozit üretimi sırasında maruz kalır çünkü bu yeni yöntem, ancak, yüzey tedavi edilmesi gerekmez. Çıplak karbon elyaf yüzeyi açarak, elektriksel iletkenlik ve kompozit mekanik gücü büyük ölçüde artmıştır.
Introduction
İki kutuplu plaka enerji dönüşüm sistemleri ve enerji depolama sistemleri yakıt hücreleri ve piller gibi çok fonksiyonlu önemli bir bileşenidir. İki kutuplu plaka anahtar fonksiyonel gereksinimleri aşağıdaki gibidir: yüksek elektrik iletkenliği yüksek sıkıştırma basıncı ve dış etkileri ve yüksek dayanıklı içinden kaybı, yüksek mekanik özellikleri azaltmak için kalınlığı ile yönde verimlilik için yığın üretim.
Grafit ve geleneksel bipolar plaka için malzeme olarak kabul edilmiştir metaller ile karşılaştırıldığında, karbon fiber/epoksi kompozit bir daha yüksek belirli güç ve ağırlık sistemi büyük ölçüde tarafından azaltılabilir gösterir sertlik var Geleneksel Çift kutuplu plaka malzemeler kompozit1ile değiştirme. Ancak, karbon/epoksi kompozit reçine zengini katmanın bileşik yüzeyinde oluşan nedeniyle büyük bir alan özel direnç (ASR) sonuçları, kalınlığı ile yönde zavallı elektriksel iletkenlik sahip. Yalıtım reçine zengini katman iletken karbon elyaf ve başka bir iki kutuplu plaka, gaz Difüzyon layer (GDL), gibi bitişik bileşenleri arasında doğrudan temas engeller ve karbon elektrot (CFE) hissettim.
Reçine zengini katman nedeniyle yüksek ASR gidermek için birçok çalışma yapılmıştır. İlk yaklaşım seçerek reçine zengini katman kaldırmak için yüzey işleme yöntemleri oldu. Örneğin, mekanik aşınmaya bağlı yüzey2kaldırmak için denendi. Ancak, karbon elyaf Ayrıca, hangi zavallı bir ASR sonuçlandı hasar gördü. Plazma tedavisi3,4 ve mikrodalga tedavi yöntemleri5,6 ayrıca lif zarar görmemesi için geliştirilmiştir, ancak düşük verimlilik ve tekdüzelik sonuçlandı. İkinci yaklaşım, iletken tabaka kaplama yöntemleri,7,8kaplama genişletilmiş grafit içerir. Bu yöntem başarıyla ASR azaltılmış ve kompozit bipolar Kaplama üretimi için standart bir yöntem kabul edilmiştir. Ancak, bu pahalı ve dayanıklılık ve Delaminasyon sorunları nedeniyle düşük mekanik gücü vardır.
Bu çalışmada, "yumuşak katman yöntemi", karbon elyaf kompozit bipolar kaplama yüzeyi açığa çıkarabilir yöntemi üretim bir roman gösterilmiştir. Bu yöntemin ana amacı ile düşük üretim maliyeti düşük bir ASR elde etmektir. Yumuşak katman yöntemi ince bir yumuşak tabaka sıkıştırma kalıp ve iki kutuplu plaka arasında bir polimer yayın film gibi benimser. Sıkıştırma kalıp ve yumuşak tabakası ayırma kür sonra fabrikasyon bipolar plaka karbon elyaf yüzeyi sonrası yüzey herhangi bir tedavi maruz görüntüler. Bu yöntem sadece ASR azalmış ama de önemli ölçüde mekanik özellikleri arttı ve gaz geçirgenlik sorunu çözüldü. Bu yöntem diğer birçok amaç için uygulanabilir: bir elektriksel olarak iletken plaka, ince bir kompozit üretimi ve yüzey işlem ortak bir yapıştırıcı imalatı geliştirilmesi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. malzeme hazırlık
- kompozit malzeme hazırlanması
Not: dikkat, lütfen danışın ilgili tüm malzeme güvenlik bilgi formları (MSDS) kullanmadan önce. Birkaç bu yöntemlerde kullanılan kimyasalların toksik ve kanserojen olabilir. Nanomalzemeler ek tehlikeleri toplu meslektaşlarına göre olabilir. Lütfen tüm uygun güvenlik uygulamaları mühendislik kontrolleri (duman hood, torpido) ve kişisel koruyucu ekipman (koruyucu gözlük, eldiven, önlük, tam uzunlukta pantolon, kapalı-toe ayakkabı) kullanımı da dahil olmak üzere bir deney yaparken kullanın.
Not: uygulamaya bağlı olarak güçlendirecek fiber türü aşağıdakilerden biri veya bir bileşimini olabilir: tek yönlü lif, dokuma kumaş, dokuma olmayan keçe, kıyılmış lif.- Tek yönlü fiber türü
- kullanmak en uygun olan ön emdirilmiş kompozit malzeme (prepreg), kullanın.
- Prepreg 0 ° ve 90 ° bölme önlemek için içeren bir yığın sıra yığını. Örneğin, içine yığını [0 3 / 90 3] s.
- Dokuma kumaş türü
- hazırla dokuma karbon kumaş ve film-tipi epoksi reçine. Eğer bir prepreg kullanarak, adımları 1.1.2.1 1.1.2.6 atlayın.
- Kumaş % 99.5 aseton veya yağ alma için başka bir çözücü ile temiz. Kumaş kirlenmesini önlemek için temizlendikten sonra ele alırken dikkatli olun. Kumaş üzerinde temiz yüzey veya hav bırakmayan mendil koyun.
- 10 dakika süreyle ortam koşulları altında kurutma tarafından solvent kaldırmak
- Peel off epoksi reçine yedekleme film ve film-tipi epoksi 1 kat karbon kumaş 1 kat için iliştirin.
- Epoksi iliştirilmiş karbon kumaş 70 ° c 10 için Önceden ısıtılmış sıcak bir tabak yerleştirin s öncesi emprenye için.
- 10 dk için ortam koşullarında hazırlanmış prepreg serin ve diğer yedekleme film soyma.
- İstenen yığınlama sırası ile kumaş yığını; Örneğin, [0] yığını 3.
- Dokunmamış hissettim
- nonwoven keçe hazırlayın.
- Keçe % 99.5 aseton veya yağ alma için başka bir çözücü ile temiz. Keçe kirlenmesini önlemek için temizlik sonra ele alırken dikkatli olun. Keçe üzerinde temiz yüzey veya hav bırakmayan mendil koyun.
- Peel off epoksi reçine yedekleme film ve her iki tarafta hissettim karbon 1 kat 3 plies film-tipi epoksi iliştirin.
- Yer epoksi iliştirilmiş karbon hissettim 70 ° c 10 için Önceden ısıtılmış sıcak tabakta s öncesi emprenye için.
- Ortam durumda 10 min için hazırlanan prepreg serin ve diğer yedekleme film soyma.
- Tek yönlü fiber türü
- Yumuşak katman hazırlanması
Not: yumuşak tabaka, politetrafloroetilin (PTFE) veya Fluorlu etilen propilen (FEP), Poliolefin polietilen veya polipropilen, gibi gibi bir floropolimer için veya bir sentetik kauçuk silikon kauçuk veya bir Fluroelastomerler gibi kullanılabilir. Bu iletişim kuralı, FEP film benimsenmiştir ve kalın 100 µm kalınlığında FEP dokuma için uygun ise onun verim gücü damla büyük ölçüde 120 ° C. 25 µm kalınlığında FEP tek yönlü lif ve nonwoven keçe ve kompozitler için uygundur Kompozit 10 yazın.- Temiz yumuşak tabaka % 99.5 aseton ile. Başa iğne delikleri ve kırışıklıklar önlemek için özenle. Hav bırakmayan mendil ile
- silme uzakta üstünde belgili tanımlık yumuşak aseton katmanı. Orada hiçbir kirletici yumuşak katmanda çünkü bu kür işlemi sırasında kompozit için transfer edilebilir olması. Bunlar sadece kompozit aynı zamanda sıkıştırma kalıp zarar verebilir çünkü yumuşak katmanın toz ve küçük parçacıklar uzak tutarım.
2. Kompozit üretim
- Yükleme sıkıştırma kalıp
- bir sıkıştırma kalıp boşluğuna boyutu 120 mm × 120 mm ile hazırlayın.
- Sıkıştırma kalıp kalıp yayın uygulanır. Sadece yapıştırın veya kalıp kalıp sürüme sprey ve kalıp serbest kalır sadece ince bir tabaka kadar hav bırakmayan mendil ile silin.
- Hazırlanmış kompozit laminat 118 mm × 118 mm bir boyutuna kesme.
- Yer 1 kat daha düşük kalıp üzerinde 25 µm kalınlığında FEP film.
- Kompozit laminat FEP filmde yer ve başka bir FEP film üzerinde Laminat yer.
- Yumuşak katmana düzleştirmek ve yumuşak katman ve bileşik laminat arasında entrapped hava kabarcıkları kaldırın.
- Sıkıştırma yoğurmak için kalıp kapatın.
- Sıkıştırma kalıplama
- ısı sıcak basına 150 ° C.
Not: Bu durumda 140 ° C kalıp içinde numune sıcaklığıdır. Daha düşük sıcaklık kullanımı da bir elastomer veya Poliolefin yumuşak katmanı için kabul edilen mümkündür. Her iki bileşik Kavurma sıcaklığı ve Kavurma sıcaklığı belirlemek için yumuşak katman yumuşama sıcaklığı göz önünde bulundurun. - Kalıp sıcak basında yer.
- Uygula basınç sıcak basın kullanarak; kür zamanlama ve basınç bileşik türüne bağlıdır.
- Bir tek yönlü fiber kompozit için 30 dk 20 MPa sabit bir basınç uygulayın; hiçbir ek işlem gereklidir.
- Dokuma kumaş türü kompozit için 20 MPa uygulamak. 4 dk ve 8 dk sonra uygulanan basınç sıfıra ve hemen 20 MPa tekrar başvur.
Not: Bu işlem tasfiye denir ve amacı Kaldır aşırı reçine ve hapsolmuş hava kabarcıkları. Tasfiye adım sayısını kompozit boyutuna bağlı olarak artırılabilir; büyük boyut ve kompozitler daha fazla tasfiye gerektirir.- Ancak, artırmak, reçine, viskozite başladıktan sonra değil temizle. Toplam 30 dk tedavisi.
- Dokuma olmayan türü kompozit hissettim, 30 dk. dikkat boşlukları içinde sonuçlanır basınç kaçmak için 3 MPa başvurusu ve nihai ürün hataları. Yavaş yavaş basınç kaçmak önlemek için basınç artışı.
- Fabrikasyon kompozit cam geçiş sıcaklığı 120 ° C aşağıda basınç bırakmadan sıkıştırma kalıp sıcak Basında cool.
- Basınç ve sıkıştırma kalıp sıcak basından kaldırmak.
- Sıkıştırma kalıp son ürün demold.
- ısı sıcak basına 150 ° C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Fabrikasyon örnekler kullanarak tarama elektron mikroskobu (SEM) (Resim 1) gözlenir. Üst liflerinin kapsar reçine zengini katmanı yalnızca birkaç mikrometre kalın olduğu için örnek üst kısmında gözlenen bir optik mikroskobik görüntü uygun değil. Tarafından 5 ° numune eğerek gözlenen bir SEM görüntü daha temsili bir görüntü sağlar. Ne zaman ve kompozitler yumuşak katman yöntemi tarafından cihazlarında reçine ile kaplanmış yüzeyi vardır, geleneksel sıkıştırma kalıplama tarafından fabrikasyon ve kompozitler karşılaştırıldığında kusurları çıplak lifleri maruz kalır. Yumuşak katman yöntemi tek yönlü karbon kompozit, karbon kumaş Kompozit ve hissettim karbon kompozit için geçerlidir.
Şekil 1: fabrikasyon numune SEM görüntüleri. (bir) Unidirectional fiber kompozit geleneksel yöntem11ile; (b) Unidirectional fiber kompozit yumuşak katman yöntemi11ile; (c) dokuma kumaş kompozit geleneksel yöntem12ile; (d) dokuma kumaş bileşik yumuşak katman yöntemi12ile; (e) dokunmamış geleneksel yöntem13ile bileşik hissettim; (f) dokunmamış yumuşak katman yöntemi13ile bileşik hissettim. Özgün yayıncılar izniyle tüm başvurulan görüntüleri yeniden basıldı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 2: Kompozit bipolar kaplama performansını. Burada, maksimum ve minimum değerleri için hata çubukları kullanıldı ise ortalama değerini temsil eden bir değer olarak alınmıştır. alanı özel direnç (ASR) (bir) kalınlığı ile yönde elektriksel iletkenlik, görüntülenir; (b) çekme dayanımı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Yumuşak katman yöntemi ile geleneksel yöntemlerle ve düşük üretim maliyeti ile karşılaştırıldığında önemli avantajlar sağlar. Yumuşak katman yöntemi tarafından üretilen kompozit üç tür elektriksel özellikleri, mekanik özellikleri, gaz geçirgenliği ve adezyon özellikleri açısından benzersiz özelliklerini gösterir.
Elektrik özellik ölçüm için dört maddelik prob yöntemi kullanıldı. ASR 5 kez ölçüldü ve ortalama değeri iki kutuplu tabağı için temsil edici bir değer olarak alınmıştır. Beş bipolar plakalar toplam ölçülen ve maksimum ve minimum ASR değerleri için hata çubuğu kullanılmıştır.
Kalınlığı ile yönde elektriksel iletkenlik maruz kalan karbon fiber (şekil 2a) nedeniyle önemli ölçüde artırır ve DOE hedef (bölümü, enerji, ABD) ASR tatmin < bir sıkıştırma altında 20 mΩ∙cm2 1,38 MPa baskısı. Mekanik özellik ölçüm için ASTM D3039 göre çekme dayanımı testleri yapıldı. Dokuz numuneler test edildi ve ortalama değerini temsil eden bir değer en fazla süre olarak çekildi ve en düşük değerleri için hata çubuğu kullanılmıştır.
Tek yönlü karbon fiber kompozit dayanımı çok değişmez ancak yumuşak katman yöntemi uygulandığında karbon kumaş ve karbon keçe tipi ve kompozitler önemli artışlar dayanımı içinde % 22 ve % 15, sırasıyla, gösterir. Yumuşak katman üzerinde tüm yüzey tek tip basınç uygulayabileceğiniz için gerilme direncini artırır. Bu nedenle, bileşik gaz geçirgenliği iyi10,14olarak artırıldı. Buna ek olarak, adezyon özellikleri nedeniyle lifler15tarafından oluşturulan pütürlü yüzeyi artırıldı.
Yumuşak katman eşsiz avantaj sağlasa da, uygulamada en iyi sonucu elde etmek için özen gösterilmelidir. Öncelikle, gözenekleri veya kusurları olmadan yumuşak bir katman kullanın. Reçine ezik içinde yanı sıra kontaminasyon küf ve kompozit için kür sonra yol açacak delikten dışarı akacak. Yüksek sıcaklık ve basınç altında küçük kırışıklıkları yok, ama delik olmayacak. İkinci olarak, yumuşak katman kalınlığı bir kalıp gibi bir yakıt hücresi için bir kanal-şekil kalıp tasarımı tasarlarken dikkate alınmalıdır. Yumuşak katman kalınlığı aynı basınç ve sıcaklık ne bileşik tedavi için kullanılacak için uygulandıktan sonra ölçün; Bu kalınlık kalıp tasarımı için kabul. Üçüncü, yumuşak tabakasının birden çok plies mümkündür, ama büyük bir özenle götürülmeli, yumuşak sayısı artar katmanlar, reçine kaldırma yeteneği artar gibi. Ancak, kırışıklıkları bileşik yüzeyinde görünür. Dokuma olmayan karbon kompozit hissettim için bu özellikle belirgindir.
Lifler de maruz değildir varsa, seçim için dört seçenek vardır: kür basıncı; artırmak kür sıcaklık artışı; alt mekanik özellikleri veya termal özellikleri başka bir yumuşak katmanı seçin; veya aşırı reçine için bir boşluk sağlar. Uygulanan baskı altında yumuşak katman deformasyon yumuşak katman yöntemi temel mekanizması yatıyor çünkü kür basınç ve sıcaklık değiştirilmesi sonuçları artırabilir.
Sonuç olarak, yumuşak katman yöntemi doğru bakımı ile uygulandığında diğer yöntemleri ile mümkün değildi çok sayıda avantaj getiriyor. Yüzeydeki lifleri ortaya çıkarmak için geleneksel yöntemlerle karşılaştırıldığında, yumuşak katman yöntemi yapım o geniş alanlara endüstriyel uygulamalar için ideal bir yöntem verimlilik önemli bir faktör nerede herhangi bir yazı yüzey işlem gerektirmez. Bu yöntem daha fazla genel bileşik imalat yöntemi veya genel kompozit yüzey işleme yöntemi için genişletilebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Bu araştırma iklim değişikliği araştırma Hub of KAIST tarafından desteklenmiştir (vermek No N11160012), önde gelen yabancı Araştırma Enstitüsü programı aracılığıyla Kore Ulusal Araştırma Vakfı Bilim Bakanlığı, ICT ve Gelecek Planlama (grant No 2011-0030065), tarafından finanse önde gelen insan kaynak eğitim programı Bölgesel Neo sanayi aracılığıyla Ulusal Araştırma Vakfı, Kore (Bilim Bakanlığı, ICT ve gelecek planlama tarafından (Hayır ver. finanse NMG) NRF-2016H1D5A1910603). Destek büyük beğeni topluyor.
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).
