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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. materiale forberedelse
- forberedelse af det sammensatte materiale
Bemærk: forsigtighed, venligst høre alle relevante materiale sikkerhedsdatablade (MSDS) før brug. Flere af kemikalier, der anvendes i disse metoder kan være giftige og kræftfremkaldende. Nanomaterialer kan have yderligere risici i forhold til deres bulk modstykker. Brug venligst alle relevante sikkerhedspraksis, når du udfører et eksperiment, herunder anvendelse af tekniske foranstaltninger (stinkskab, handskerum) og personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker, laboratoriekittel, fuld længde bukser, lukket tå sko).
Bemærk: Afhængigt af programmet, forstærkende fiber type kan være en eller en kombination af følgende: unidirectional fiber, vævet stof, ikke-vævet filt, hakkede fiber.- Envejs fiber type
- bruge pre imprægnerede kompositmateriale (prepreg), da det er den mest bekvemme at bruge.
- Stak prepreg i en stabling sekvens, som indeholder både 0 ° og 90 ° at undgå opdeling. For eksempel, stak i [0 3 / 90 3] s.
- Vævet stof type
- Forbered vævet carbon stof og film-type epoxy harpiks. Hvis du bruger en prepreg, springe trin 1.1.2.1 til 1.1.2.6.
- Rense stof med 99,5% acetone eller et andet opløsningsmiddel til affedtning. Være forsigtig, når du håndterer stoffet efter rengøring for at undgå kontaminering. Læg stoffet på en ren overflade eller fnugfri serviet.
- Fjerne opløsningsmiddel ved tørring omgivende betingelser for 10 min.
- Skræl off backup film af epoxy-harpiks og tillægger 1 lags carbon stof 1 lags af film-type epoxy.
- Sted i epoxy-attached carbon stoffet på en varm tallerken, der er forvarmet til 70 ° C i 10 s for pre imprægnering.
- Cool den forberedte prepreg i omgivende betingelser for 10 min og skrælle andre backup filmen.
- Stak stof med den ønskede stabling sekvens, for eksempel, stak i [0] 3.
- Ikke-vævede følte
- forberede ikke-vævet filt.
- Rense filt med 99,5% acetone eller et andet opløsningsmiddel til affedtning. Være forsigtig, når du håndterer filt efter udrensning for at undgå kontaminering. Placer filt på en ren overflade eller fnugfri serviet.
- Skræl off backup film af epoxy-harpiks og tillægger 1 lags kulstof følte på hver side 3 lag af film-type epoxy.
- Sted den epoxy-attached carbon følte på en varm tallerken, der er forvarmet til 70 ° C i 10 s for pre imprægnering.
- Cool den forberedte prepreg i den omgivende tilstand i 10 min og skrælle andre backup filmen.
- Envejs fiber type
- Forberedelse af de bløde lag
Bemærk: For de bløde lag, en fluorpolymer som polytetrafluorethylen (PTFE) eller fluorerede ethylen propylen (FEP), et polyolefin som polyethylen eller polypropylen, eller en syntetisk gummi silikonegummi eller en fluoroelastomer kan bruges. I denne protokol, FEP film er vedtaget, og dens udbytte styrke falder drastisk over 120 ° C. 25 µm tykt FEP er velegnet til envejs fiber og ikke-vævet filt kompositter, en tykkere 100 µm tykt FEP er hensigtsmæssigt for vævet stof type kompositter 10.- Rens det bløde lag med 99,5% acetone. Håndterer med omhu for at undgå rynker og pinholes.
- Aftørre ned af acetone på blødt lag med fnugfri klude. Sikre, at der er ingen forurenende stof på det bløde lag, fordi det vil blive overført til composite under hærdning processen. Altid holde det bløde lag støv og små partikler, da disse kan beskadige ikke kun composite, men også formen kompression.
2. Sammensatte fabrikation
- Installation af formen kompression
- forberede en kompression mug med et hulrum størrelse 120 mm × 120 mm.
- Gælde kompression mug skimmel frigivelse. Blot indsætte eller spray skimmel frigivelse til formen, og tørre med fnugfri klude indtil kun et tyndt lag af mug release resterne.
- Skær den tilberedte sammensatte laminat til en størrelse på 118 mm × 118 mm.
- Sted 1 lags 25 µm tykt FEP film på den lavere mug.
- Placere den sammensatte laminat på FEP film og placere en anden FEP film på laminatet.
- Tromle det bløde lag og fjerne de luftbobler, der er fanget mellem de bløde lag og sammensatte laminat.
- Lukke formen for komprimering formemaskine.
- Compression molding
- varme hot pressen til 150 ° C.
Bemærk: Modellen inde i formen temperatur er 140 ° C i denne tilstand. Anvendelse af en lavere temperatur er også muligt, hvis en elastomer eller polyolefin er vedtaget for de bløde lag. Overveje både composite hærdning temperatur og blødgørende temperaturen i det bløde lag til at bestemme den hærdning temperatur. - Placerer formen i varmt pressen.
- Anvend pres ved hjælp af den varme presse; den hærdning tidsplan og pres afhænger af en sammensat type.
- For en envejs fiber komposit, gælder et konstant pres på 20 MPa i 30 min, ingen yderligere proces er påkrævet.
- For vævet stof type sammensat, anvende 20 MPa. Efter 4 min og 8 min, den anvendte trykket til nul og straks anvende 20 MPa igen.
Bemærk: Denne proces kaldes udrensning, og dens formål er at fjerne overdreven harpiks og fanget luftbobler. Antallet af udrensning trin kan øges afhængigt af størrelsen af sammensat; større-størrelse kompositter kræver mere udrensning.- Men efter viskositet af harpiks begynder at stige, ikke rense. Cure for 30 min i alt.
- For en ikke-vævede følte type komposit, anvende 3 MPa for 30 min. pas på pres overskridelse, som vil resultere i huller og mangler i det endelige produkt. Øge trykket langsomt for at undgå pres overskridelse.
- Cool kompression skimmel i den varme presse uden at slippe trykket til nedenstående 120 ° C, som er glas overgang temperatur af opdigtede composite.
- Frigive trykket og fjerne kompression mug fra den varme presse.
- Demold det endelige produkt fra formen kompression.
- varme hot pressen til 150 ° C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Opdigtet modellerne er observeret ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM) (figur 1). Fordi den harpiks-rige lag, der dækker toppen af fibrene er kun nogle få mikrometer tyk, er en optisk mikroskopiske billede observerede på toppen af modellen ikke passende. Et SEM billede observeret ved at vippe modellen 5 ° giver et mere repræsentativt billede. Sammenlignet med kompositmaterialer fremstillet af konventionelle compression molding, som har sin overflade dækket med harpiks, udsættes nøgne fibre uden fejl, når kompositter er fremstillet af bløde lag metode. Metoden bløde lag var gældende til envejs carbon komposit, carbon stof komposit og carbon følte sammensat.
Figur 1: SEM billeder af opdigtede modellen. (en) envejs fiber komposit med konventionelle metode11; (b) envejs fiber komposit med bløde lag metode11; (c) vævet stof sammensat med konventionelle metode12; (d) vævet stof sammensat med bløde lag metode12; (e) ikke-vævet filt sammensat med konventionelle metode13; (f) vævet følte sammensat med bløde lag metode13. Alle refererede billeder har været genoptrykt med tilladelse fra oprindelige udgivere. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: ydeevne af den sammensatte bipolar plade. Her, blev den gennemsnitlige værdi taget som en repræsentativ værdi, mens de maksimale og minimale værdier blev brugt til fejllinjer. (en) elektriske ledningsevne i retningen gennem tykkelse, område af specifik modstand (ASR) er vist; (b) trækstyrke. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 værdi for det bipolare plade. I alt fem bipolær plader blev målt, og de maksimale og minimale ASR værdier blev brugt til fejllinje.
Den elektriske ledningsevne i retningen gennem tykkelsen øges markant på grund af den udsatte kulfiber (figur 2a) og opfylder DOE mål (Institut for energi, USA) af ASR < 20 mΩ∙cm2 under en jordpakning pres 1,38 MPA. Til måling af egenskaben mekaniske blev trækstyrke tests udført efter ASTM D3039. Ni prøver blev testet og den gennemsnitlige værdi blev taget som en repræsentativ værdi mens maksimalt og minimale værdier blev brugt til fejllinje.
Envejs kulfiber komposit trækstyrke ændrer ikke meget, men carbon stof og carbon følte type kompositter viser betydelige stigninger i trækstyrke på 22% og 15%, henholdsvis, når den bløde lag metode anvendes. Trækstyrke øger fordi det bløde lag kan anvende et ensartet Tryk på hele overfladen. Af denne grund, er gas-permeabilitet af composite forbedret som godt10,14. Derudover er vedhæftning egenskaber forbedret på grund af den ru overflade genereret af fibre15.
Selvom det bløde lag giver uforlignelig fordele, bør udvises forsigtighed i gennemførelsen at opnå det bedste resultat. Brug først en bløde lag uden porer eller defekter. Harpiksen vil bløder ud gennem det hul, som vil medføre buler efter hærdning og forurening at mug og composite. Mindre rynker forsvinder under høj temperatur og tryk, men huller vil ikke. Andet, tykkelsen af det bløde lag skal taget hensyn, når du udformer en skimmelsvamp, som i design af et kanal-figur skimmelsvamp for en brændselscelle. Måle tykkelsen af laget blød efter en identisk pressionsmiddel og temperatur til det skal bruges til at helbrede sammensat; denne tykkelse vedtages for skimmel design. Tredje, flere lag af det bløde lag er muligt, men stor omhu skal tages, når antallet af bløde lag stigninger, evnen til at fjerne harpiks stiger. Rynker kan dog anbringes på den sammensatte overflade. Dette er især mærkbar for ikke-vævede carbon følte kompositter.
Hvis fibrene ikke er godt eksponeret, der er fire muligheder at vælge imellem: øge hærdning trykket; hæve temperaturen i hærdning; Vælg en anden bløde lag, som har lavere mekaniske egenskaber eller termiske egenskaber; eller give et hulrum til den overskydende resin. Fordi den grundlæggende mekanisme af metoden bløde lag ligger i deformation af de bløde lag under de anvendte tryk, kan ændring af hærdning tryk eller temperatur forbedre resultaterne.
Afslutningsvis bringer metoden bløde lag mange fordele, der ikke var muligt med andre metoder, når det er gennemført med ordentlig pleje. I forhold til de konventionelle metoder til at afdække fibre på overfladen, kræver bløde lag-metoden ikke nogen post overfladebehandling, hvilket gør det en ideel metode til store flader industrielle applikationer, hvor produktiviteten er en afgørende faktor. Denne metode kan blive yderligere udvidet til en generel sammensatte fabrikation eller en generel sammensat overflade behandlingsmetode.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
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
| 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).
