Een protocol om bloot blote vezels op het samengestelde oppervlak door het elimineren van hars rijk gebied wordt gepresenteerd. De vezels worden tijdens de fabricage van de composieten, niet door de oppervlakte na de behandeling blootgesteld. De blootgestelde koolstof composieten vertonen hoge elektrische geleidbaarheid in de richting van de via-dikte en hoge mechanische eigenschap.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Experimentele implementatie van een nieuwe methode van de samengestelde Fabrication: bloot blote vezels op het samengestelde oppervlak door de zachte laag-methode
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
De bipolaire plaat is een belangrijk onderdeel van brandstofcellen (PEMFCs) voor de proton-uitwisseling membraan en vanadium-redox flow batterijen (VRFBs). Het is een multi-functionele onderdeel dat hoge elektrische geleidbaarheid, hoge mechanische eigenschappen, en een hoge productiviteit moet.
In dit verband kunnen een koolstofvezel/epoxy composiet een ideaal materiaal ter vervanging van de conventionele grafiet bipolaire plaat, die vaak tot de katastrofisch mislukking van het gehele systeem vanwege de inherente broosheid leidt. Hoewel de koolstof/epoxy composiet hoge mechanische eigenschappen heeft en gemakkelijk is te produceren, is de elektrische geleiding in de via-dikte richting slecht vanwege de hars-rijke laag die op haar oppervlak ontstaat. Daarom is een uitgebreide grafiet coating goedgekeurd oplossen van het probleem van de elektrische geleidbaarheid. De uitgebreide grafiet coating niet alleen verhoogt de productiekosten maar heeft ook arme mechanische eigenschappen.
In deze studie, wordt een methode om te bloot vezels op de samengestelde oppervlakte aangetoond. Er zijn momenteel veel methoden die vezels oppervlaktebehandeling na de fabricage van de samengestelde kunnen weergeven. Deze nieuwe methode, echter, vereist geen oppervlaktebehandeling omdat de vezels tijdens de vervaardiging van de samengestelde worden blootgesteld. Door bloot blote carbon vezels op het oppervlak, zijn de elektrische geleidbaarheid en de mechanische sterkte van de samengestelde drastisch toegenomen.
Inleiding
De bipolaire plaat is een multi-functionele essentieel onderdeel van energie conversie en energie opslagsystemen zoals brandstofcellen en batterijen. De belangrijkste functionele eisen van de bipolaire plaat zijn als volgt: hoge elektrische geleidbaarheid in de richting van de via-dikte te verminderen ohms-verlies, hoge mechanische eigenschappen om te weerstaan de compressie van de hoge druk en externe effecten en hoog productiviteit voor massaproductie.
Vergeleken met de grafiet en metalen die goedgekeurd conventioneel als materialen voor de bipolaire plaat, hebben composieten van koolstofvezel/epoxy een hogere specifieke sterkte en stijfheid, waarmee wordt aangegeven dat het gewicht van het systeem aanzienlijk kan worden verminderd door ter vervanging van de conventionele bipolaire plaat materialen met composieten1. Conventionele koolstof/epoxy composieten hebben echter slechte elektrische geleidbaarheid in de richting van de via-dikte, wat resulteert in een grote areal specifieke weerstand (ASR), als gevolg van de hars-rijke laag die op het samengestelde oppervlak ontstaat. De hars-rijke isolatielaag voorkomt dat rechtstreekse contacten tussen de geleidende carbon vezels en aangrenzende onderdelen, zoals een andere bipolaire plaat, gas verspreiding laag (GDL), en carbon voelde elektrode (CFE).
Talrijke studies werden uitgevoerd u kunt oplossen door de hoge ASR als gevolg van de hars-rijke laag. De eerste benadering was oppervlaktebehandeling methoden voor het selectief verwijderen van de hars-rijke laag. Bijvoorbeeld, was mechanische slijtage probeerde te verwijderen van de hars op de surface2. Echter, de carbon vezels werden ook beschadigd, wat resulteerde in een arme ASR. Plasma behandeling3,4 en magnetron behandeling methoden5,6 zijn ook ontwikkeld om te voorkomen beschadiging van de vezel, maar zij resulteerde in lage productiviteit en uniformiteit. De tweede benadering, geleidende laag coating methoden, inclusief uitgebreide grafiet coating7,8. Deze methode met succes de ASR verminderd en is beschouwd als een standaardmethode voor de vervaardiging van een bipolaire composietplaten. Echter, het is duur en heeft duurzaamheid en delaminatie problemen als gevolg van de lage mechanische sterkte.
In deze studie, wordt de "zachte laag methode", een productie-methode die carbon vezels op het oppervlak van de bipolaire composietplaten blootstellen kan, roman aangetoond. Het belangrijkste doel van deze methode is om een lage ASR met een lage productiekosten. De zachte laag methode neemt een dun zacht laagje zoals een polymeer verwijderbare beschermingsfolie tussen de compressie schimmel en bipolaire plaat. Na het uitharden in de compressie schimmel en het loskoppelen van de zachte laag, wordt de bewerkte bipolaire plaat weergegeven carbon vezels blootgesteld aan de oppervlakte zonder post oppervlakte behandeling. Deze methode niet alleen daalde de ASR maar ook aanzienlijk toegenomen van de mechanische eigenschappen en loste het probleem van de permeabiliteit gas. Deze methode kan worden toegepast voor veel andere doeleinden: de ontwikkeling van een elektrisch geleidende plaat, de vervaardiging van een dunne vierkleurendruk en de fabricage van een lijm gezamenlijke zonder oppervlaktebehandeling.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. materiaal voorbereiding
- voorbereiding van het composietmateriaal
Opmerking: Let op, wees zo goed raadplegen alle relevante veiligheidsinformatiebladen (MSDS) vóór gebruik. Verscheidene van de chemicaliën die worden gebruikt in deze methoden mogelijk giftige en kankerverwekkende. Nanomaterialen wellicht extra risico's ten opzichte van hun tegenhangers van de bulk. Gebruik bij het uitvoeren van een experiment, met inbegrip van het gebruik van technische controles (zuurkast, handschoenenkastje) en persoonlijke beschermingsmiddelen (handschoenen, veiligheidsbril, laboratoriumjas, full-length broek, gesloten-teen schoenen) op alle passende veiligheidspraktijken.
Opmerking: Afhankelijk van de toepassing, het soort versterkende vezel kan worden een of een combinatie van de volgende handelingen uit: unidirectioneel fiber weefsels, non-woven vilt, gehakte vezel.- Type unidirectionele vezel
- gebruik vooraf geïmpregneerd composietmateriaal (prepreg), want het is het meest geschikt om te gebruiken.
- Stapelen de prepreg in een stapelbare reeks met zowel 0 ° en 90 ° te splitsen. Bijvoorbeeld, stapelen in [0 3 / 90 3] s.
- Geweven stof type
- voorbereiden het geweven carbon weefsel en film-achtige epoxy hars. Als met behulp van een prepreg, slaat u stap 1.1.2.1 naar 1.1.2.6.
- Reinigt de stof met 99,5% aceton of een ander oplosmiddel voor het ontvetten. Nemen voorzichtigheid bij het verwerken van de stof na het schoonmaken om besmetting te voorkomen. Plaats het weefsel op een schoon oppervlak of pluisvrije doekje.
- Verwijder het oplosmiddel door onder omgevingsomstandigheden voor 10 min. drogen
- Peel uit de back-film van de epoxyhars en 1 laags van filmtype epoxy hecht aan 1 laags van koolstof stof.
- Plaats van de epoxy-ingeschrevenen carbon weefsel op een warmhoudplaat thats voorverwarmde tot 70 ° C voor 10 s voor pre impregnatie.
- De bereid prepreg in omgevingsomstandigheden gedurende 10 minuten afkoelen en afschilferen van de andere back-up film.
- Stapelen de stof met de gewenste stapelvolgorde volgorde; bijvoorbeeld stapelen in [0] 3.
- Non-woven voelde
- bereiden de non-woven vilt.
- Reinigt het vilt met 99,5% aceton of een ander oplosmiddel voor het ontvetten. Nemen voorzichtigheid bij het verwerken van het vilt na zuivering om besmetting te voorkomen. Plaats het vilt op een schoon oppervlak of pluisvrije doekje.
- Peel uit de back-film van de epoxyhars en 3 lagen van filmtype epoxy hecht aan 1 laags van carbon voelde aan weerskanten.
- Plaats de koolstof epoxy-ingeschrevenen voelde op een hete plaat thats voorverwarmde tot 70 ° C voor 10 s voor pre impregnatie.
- Afkoelen van de voorbereide prepreg in de omringende voorwaarde voor 10 min en afschilferen van de andere back-up film.
- Type unidirectionele vezel
- Voorbereiding van de zachte laag
Opmerking: voor de zachte laag, een fluorpolymeer zoals polytetrafluorethyleen (PTFE) of gefluoreerde ethyleen propyleen (FEP), een polyolefinen zoals polyethyleen of van polypropyleen, of een synthetische rubber zoals silicone rubber of een materiaalgegevens kan worden gebruikt. In dit protocol, FEP film wordt aangenomen, en de opbrengst kracht druppels drastisch meer dan 120 ° C. 25 µm-dikke FEP is geschikt voor unidirectionele vezel en non-woven vilt composieten, overwegende dat een dikker 100 µm-dikke FEP geschikt voor geweven stof is Typ composieten 10.- Reinigen de zachte laag met 99,5% aceton. Voorzichtig om te voorkomen dat rimpels en gaatjes behandelen.
- Veeg uit de aceton op de zachte laag met pluisvrije doekjes. Zorg ervoor dat er geen verontreinigingen op de zachte laag omdat het bedrag naar de samengestelde tijdens het genezen overgemaakt wordt. Houd altijd de zachte laag uit de buurt van stof en kleine deeltjes, omdat deze niet alleen het composiet, maar ook de compressie mal beschadigen kunnen.
2. Samengestelde fabricage
- installatie van de compressie schimmel
- bereiden een compressie schimmel met een spouw van maat 120 mm × 120 mm.
- Van toepassingop de schimmel release de compressie schimmel. Gewoon plakken of spuiten van de schimmel vrij te geven aan de mal, en veeg met een pluisvrije doekjes tot slechts een dunne laag van schimmel release blijft.
- Knippen het bereid samengestelde laminaat tot een grootte van 118 mm × 118 mm.
- Plaats 1 lgs van 25 µm dik FEP film op de lagere mal.
- Plaats van het samengestelde laminaat op de FEP-film en plaats een andere FEP film op het laminaat.
- De zachte laag afvlakken en verwijder de luchtbellen die tussen de zachte laag en samengestelde laminaat in de val zijn gelokt.
- Sluit de mal voor de compressie molding.
- Compressie molding
- hitte van de hete pers tot 150 ° C.
Opmerking: De temperatuur van het monster in de mal is 140 ° C in deze toestand. Het gebruik van een lagere temperatuur is ook mogelijk als een elastomeer of polyolefinen wordt vastgesteld voor de zachte laag. Rekening houden met zowel de uithardende temperatuur van de samengestelde en de verzachtende temperatuur van de zachte laag om de uithardende temperatuur. - Plaats van de schimmel in de hete pers.
- Toepassen druk met behulp van de hot pers; de uithardende schema en is afhankelijk van het samengestelde type.
- Voor een unidirectionele fiber-composiet, gelden een constante druk van 20 MPa voor 30 min; geen extra proces is vereist.
- Voor een type composiet van geweven stof, gelden 20 MPa. Na 4 min en 8 min, release de toegepaste druk op nul en onmiddellijk opnieuw toepassen 20 MPa.
Opmerking: Dit proces heet purgeren, en het doel ervan is prikroller luchtbellen te verwijderen buitensporige hars. Het aantal reinigend stappen kan worden verhoogd afhankelijk van de grootte van de samengestelde; groter composieten vereisen meer purgeren.- Echter nadat de viscositeit van de hars begint te verhogen, doen niet verwijderen. Behandeling gedurende 30 minuten in totaal.
- Voor een nonwoven type composiet voelde, toepassing 3 MPa voor 30 min. Beware van de overschrijding van de druk, die in vides resulteren zal en gebreken in het eindproduct. Verhogen de druk langzaam om te voorkomen dat druk overschrijding.
- Cool de compressie schimmel in de hete pers zonder het vrijgeven van de druk onder 120 ° C, dat de temperatuur van de overgang van glas van de gefabriceerde samengestelde is.
- Release de druk en de compressie schimmel verwijderen uit de hete pers.
- Demold van het eindproduct van de compressie-mal.
- hitte van de hete pers tot 150 ° C.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
De bewerkte specimens zijn waargenomen met behulp van scanning elektronen microscopie (SEM) (Figuur 1). Omdat de hars-rijke laag dat betrekking heeft op de top van de vezels slechts een paar micrometer dik is, is een optische microscopische opname waargenomen bij de bovenkant van het model niet geschikt. Een SEM-beeld waargenomen door het kantelen van het model door 5° biedt een meer representatief beeld. In vergelijking met de composieten vervaardigd door co...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De zachte laag methode biedt aanzienlijke voordelen vergeleken met de conventionele methoden, en met een lagere productiekosten. Alle drie soorten composieten vervaardigd door de zachte laag methode weergeven unieke kenmerken in termen van de elektrische eigenschappen, mechanische eigenschappen, gas permeabiliteit en hechting eigenschappen
Voor de meting van de elektrische eigenschap, werd een vier-punts sonde-methode gebruikt. ASR was 5 keer gemeten en de gemiddelde waarde werd opgevat als ee...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Dit onderzoek werd gesteund door de klimaat verandering onderzoek Hub van KAIST (verlenen nr. N11160012), de toonaangevende buitenlandse Research Instituut Recruitment Program via de nationale onderzoek Stichting van Korea gefinancierd door het ministerie van wetenschap, ICT en toekomst Planning (grant nr. 2011-0030065), de toonaangevende Human Resource trainingsprogramma van Regionale Neo industrie door middel van de nationale onderzoek Stichting van Korea (NRF) gefinancierd door het ministerie van wetenschap, ICT en Planning van de toekomst (verlenen neen. NRF-2016H1D5A1910603). Hun steun zit zeerst zich opwaarderen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Unidirectional carbon/epoxy prepreg | SK Chemicals | USN020 | Gebruikt voor het fabriceren van unidirectioneel koolstofcomposiet |
| Plain weave carbon fabric/epoxy prepreg | SK Chemicals | WSN 1k | Gebruikt voor het fabriceren van koolstofcomposiet |
| Plain weave carbon fabric | SK Chemicals | C-112 | Gebruikt voor het fabriceren van koolstofcomposiet |
| Non-woven carbon felt | Newell | Graphite felt 3 mm | Gebruikt voor het fabriceren van koolstofcomposiet |
| Film type epoxy resin | SK Chemicals | K51 | Gebruikt als matrix van het composiet |
| Acetone 99.5% | Samchun | 67-64-1 | Gebruikt om de koolstofvezel en de zachte lagen te reinigen |
| Mold release | ShinEtsu | KF-96 | Gebruikt om de mal te coaten |
| Release film | Airtech | A4000V | Gebruikt als zachte laag |
| Compression mold | N/A | N/A | Gefreesd in lab. Materiaal: NAK80 |
| Hot press | Hydrotek 100 | N/A | Gebruikt om druk en warmte toe te passen |
| Scanning electron microscope | FEI Compnay | Magellan 400 | Gebruikt om het oppervlak van het composiet te onderzoeken |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
