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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. material förberedelse
- beredning av kompositmaterialet
Obs: försiktighet, vänligen konsultera alla relevanta säkerhetsdatablad (MSDS) före användning. Flera av de kemikalier som används i dessa metoder kan vara giftiga och cancerframkallande. Nanomaterial kan ha ytterligare risker jämfört med deras bulk motsvarigheter. Använd alla lämpliga säkerhetsrutiner när du utför ett experiment, inklusive användning av tekniska kontrollåtgärder (spiskåpa, handskfacket) och personlig skyddsutrustning (skyddsglasögon, handskar, labbrock, hellånga byxor, stängd tå skor).
Obs: Beroende på applikation, typen av förstärkande fiber kan vara en eller en kombination av följande: enkelriktad fiber, vävt tyg, icke-vävda filt, hackad fiber.- Enkelriktad fiber typ
- använda pre impregnerade kompositmaterial (natriumvätesulfit), eftersom det är det mest praktiskt att använda.
- Stack natriumvätesulfit i en stapling sekvens som innehåller både 0 ° och 90 ° att undvika delning. Till exempel stapla i [0 3 / 90 3] s.
- Vävt tyg typ
- Förbered vävd kolfiber tyget och film-typ epoxiharts. Om du använder en Klorkresol, hoppa över steg 1.1.2.1 till 1.1.2.6.
- Rengör tyget med 99,5% aceton eller annan vätska för avfettning. Var försiktig när du hanterar tyget efter rengöring för att undvika kontaminering. Lägg tyget på en ren yta eller luddfri torka.
- Ta bort lösningsmedlet genom torkning under omgivningsförhållanden för 10 min.
- Peel off backup filma av epoxiharts och bifoga 1 ply film-typ epoxi till 1 skikt av kol tyg.
- Placera epoxi-anslutna kol tyget på en värmeplatta som är förvärmd till 70 ° C för 10 s för före impregneringen.
- Cool den beredda natriumvätesulfit i omgivningsförhållanden för 10 min och dra av andra backup filmen.
- Stack tyget med önskad stapling sekvensen, till exempel stapla i [0] 3.
- Non-woven kände
- förbereda icke-vävda felt.
- Rengör filten med 99,5% aceton eller annan vätska för avfettning. Var försiktig när du hanterar filt efter rengöring för att undvika kontaminering. Placera filt på en ren yta eller luddfri torka.
- Peel off backup filma av epoxiharts och bifoga 3 plies film-typ epoxi till 1 skikt av kol kände på varje sida.
- Plats epoxi-anslutna kolet kände på en värmeplatta som är förvärmd till 70 ° C för 10 s för före impregneringen.
- Cool den beredda natriumvätesulfit i omgivande tillstånd för 10 min och dra av andra backup filmen.
- Enkelriktad fiber typ
- Beredning av det mjuka lagret
Obs: för det mjuka lagret, en fluorpolymer som polytetrafluoreten (PTFE) eller fluorerad etylenpropylen (FEP), en polyolefin såsom polyeten eller polypropen, eller en syntetiskt gummi som silikongummi eller en fluorelastomer kan användas. I detta protokoll, FEP film antas och dess avkastning styrka sjunker drastiskt över 120 ° C. 25-µm tjock FEP är lämplig för enkelriktad fiber och icke-vävda filt kompositer, en tjockare 100-µm tjock FEP är lämpligt för vävt tyg Skriv kompositer 10.- Cleanse det mjuka lagret med 99,5% aceton. Handtag med omsorg för att undvika rynkor och porer.
- Torka av aceton på mjuk skikt med luddfria servetter. Se till att det finns ingen förorening på det mjuka lagret eftersom det kommer att överföras till sammansatt under härdningsprocessen. Alltid hålla det mjuka lagret från damm och små partiklar eftersom dessa kan skada inte bara sammansatt utan även komprimering mögel.
2. Sammansatta Fabrication
- Installation av komprimering mögel
- förbereda en komprimering mögel med en hålighet i storlek 120 mm × 120 mm.
- Gälla komprimering mögel mögel utsläpp. Helt enkelt klistra in eller spraya mögel utsläpp till mögel och torka med luddfria servetter tills endast ett tunt lager av mögel release resterna.
- Skär beredda sammansatta laminat till en storlek 118 mm × 118 mm.
- Plats 1 trådigt 25 µm tjock FEP film på lägre mögel.
- Placera sammansatta laminat på FEP filmen och placera en annan FEP film på säkerhetslaminatet.
- Platta det mjuka lagret och ta bort luftbubblorna som är anhållna mellan det mjuka lagret och sammansatta laminat.
- Stäng formen för komprimering listerna.
- Komprimering gjutning
- värma heta pressen till 150 ° C.
Obs: Temperaturen av preparatet inuti formen är 140 ° C i detta tillstånd. Användning av en lägre temperatur är också möjligt om en elastomer eller polyolefin antas för det mjuka lagret. Överväga både sammansatt bota temperatur och det mjuka lagret att bestämma bota temperaturen mjukgörande temperatur. - Placera formen i den heta pressen.
- Tryck med heta pressen; bota schema och trycket beror på den sammansatta typen.
- För en enkelriktad fiber komposit, applicera ett konstant tryck av 20 MPa för 30 min, ingen ytterligare process krävs.
- För vävt tyg typ sammansatt, tillämpas 20 MPa. Efter 4 min och 8 min, släpp den tillämpade trycket till noll och omedelbart tillämpa 20 MPa igen.
Obs: Denna process kallas rensning och dess syfte är att ta bort överdriven harts och anhållna luftbubblor. Antalet rensningscykeln steg kan ökas beroende på storleken på sammansatt; större kompositer kräver mer rensning.- Dock efter viskositeten av kådan börjar öka, inte rensa. Botemedel mot 30 min totalt.
- För bondad kände typ sammansatt, tillämpas 3 MPa för 30 min. akta för trycket överskridandet, vilket resulterar i håligheter och defekter i den slutliga produkten. Öka trycket långsamt för att undvika trycket överskrids.
- Cool komprimering formen i den heta pressen utan att släppa trycket till under 120 ° C, vilket är en glasomvandlingstemperatur på fabricerade sammansatt.
- Släpp trycket och ta bort komprimering mögel från hot press.
- Demold den slutliga produkten från komprimering mögel.
- värma heta pressen till 150 ° C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Fabricerade exemplaren observeras med hjälp av scanning electron microscopy (SEM) (figur 1). Eftersom det hartsa-rik lager som täcker toppen av fibrerna är bara några mikrometer tjock, är en optisk mikroskopisk bild observerades vid toppen av preparatet inte lämpligt. En SEM-bild observeras genom att luta exemplaret av 5° ger en mer representativ bild. Jämfört med de kompositer som tillverkas genom konventionell komprimering molding, som har sin yta täckt med harts, utsätts bare fibrerna utan defekter när kompositer är tillverkade av mjuk lager metoden. Den mjuka lager metoden var tillämpligt på den enkelriktade kol komposit, kol tyg komposit och kol kände komposit.
Figur 1: SEM-bilder av påhittade förlagan. (en) Unidirectional fiber komposit med konventionell metod11; (b), Unidirectional fiber komposit med mjuka lager metoden11; (c), vävda tyg komposit med konventionell metod12; (d), vävda tyg komposit med mjuka lager metod12; (e), Non-woven kände sammansatta med konventionell metod13; (f), Non-woven kände sammansatta med mjuka lager metod13. Alla refererade bilder har varit omtryckt med tillåtelse från ursprungliga utgivare. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: prestanda av sammansatta bipolära plattan. Här togs det genomsnittliga värdet som ett representativt värde, medan de högsta och lägsta värdena användes för felstaplar. (en) elektrisk ledningsförmåga i genom-tjocklek riktning, området av specifika motstånd (ASR) visas; (b) draghållfasthet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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. Sammanlagt fem bipolära plattor mättes, och högsta och lägsta värdena som ASR användes för fel bar.
Den elektriska ledningsförmågan i genom-tjocklek riktning ökar betydligt på grund av den exponerade kolfiber (figur 2a) och uppfyller målet DOE (Department av energi, Förenta staterna) av ASR < 20 mΩ∙cm2 under en packning Tryck av 1,38 MPa. För mätning av egenskapen mekaniska utfördes Dragprovning enligt ASTM D3039. Nio prover testades och det genomsnittliga värdet togs som ett representativt värde medan högst och lägsta värden användes för fel bar.
Draghållfastheten för enkelriktad kolfiber komposit förändras inte mycket, men kol tyget och kol kände typ kompositer Visa betydande ökningar i den tänjbara styrkan av 22% och 15%, respektive, när metoden mjuka lager appliceras. Den tänjbara styrkan ökar eftersom det mjuka lagret kan tillämpa ett likformigt tryck på hela ytan. Därför bättre sammansatt gas permeabilitet som väl10,14. Dessutom bättre vidhäftning egenskaper på grund av den grova ytan som genereras av de fibrer15.
Det mjuka lagret ger ojämförliga fördelar, bör försiktighet iakttas i genomförandet att uppnå bästa resultat. Använd först en mjuk skikt utan porer eller defekter. Harts kommer att blöda ut genom hålet, vilket resulterar i bucklor efter härdning samt kontaminering till mögel och komposit. Mindre rynkor försvinner under hög temperatur och tryck, men hål kommer inte. För det andra måste tjockleken på det mjuka lagret beaktas när man utformar en mögel, såsom i utformningen av en kanal-form mögel för en bränslecell. Mät tjockleken på det mjuka lagret efter tillämpa ett identiskt tryck och temperatur till vad används för att bota sammansatt; Denna tjocklek skall antas för mögel design. Tredje, flera skikten av det mjuka lagret är möjliga, men måste vara mycket försiktig, när antalet mjuka lager ökar, ökar förmågan att ta bort kåda. Rynkor kan dock visas på sammansatta ytan. Detta är särskilt märkbar för icke-vävd kolfiber kände kompositer.
Om fibrerna inte utsätts väl, det finns fyra alternativ att välja mellan: öka bota trycket; öka den bota temperaturen; Välj en annan mjuk lager som har lägre mekaniska egenskaper eller termiska egenskaper; eller ge en hålighet för överskjutande kådan. Eftersom den grundläggande mekanismen för metoden mjuka lager ligger i deformeringen av det mjuka lagret under den tillämpade trycket, kan ändrar härdningen trycket eller temperaturen förbättra resultaten.
Sammanfattningsvis, ger mjuka lager metoden många fördelar som inte var möjligt med andra metoder när genomförs med vederbörlig omsorg. Jämfört med konventionella metoder att exponera fibrer på ytan, kräver den mjuka lager metoden inte någon post ytbehandling, vilket gör det idealisk metod för stora ytor industriella tillämpningar där produktiviteten är en avgörande faktor. Denna metod kan utökas ytterligare till en allmän sammansatta fabrication-metod eller en allmän sammansatt ytbehandling metod.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
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
| 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).
