Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 conventionele compressie molding, die het oppervlak bedekt met hars heeft, worden blote vezels blootgesteld zonder gebreken, wanneer de composieten zijn vervaardigd door de zachte laag methode. De zachte laag methode was van toepassing op de unidirectioneel carbon composiet, carbon weefsel composiet en composiet carbon voelde.
Figuur 1: SEM beelden van de gefabriceerde specimen. (een) Unidirectional vezel composiet met conventionele methode11; (b) Unidirectional vezel composiet met zachte laag methode11; (c) geweven stof composiet met conventionele methode12; (d) geweven stof composiet met zachte laag methode12; (e) Non-woven vilt composiet met conventionele methode13; (f) Non-woven voelde composiet met zachte laag methode13. Alle waarnaar wordt verwezen afbeeldingen hebben herdrukt met toestemming van de oorspronkelijke uitgevers. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: prestaties van de bipolaire composietplaten. Hier, werd de gemiddelde waarde opgevat als een representatieve waarde, terwijl de maximale en minimale waarden werden gebruikt voor de foutbalken. (een) elektrische geleidbaarheid in de richting van de via-dikte, gebied van specifieke weerstand (ASR) is aangetoond; (b) treksterkte. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 een representatieve waarde voor dat bipolaire plaat. Een totaal van vijf bipolaire platen werden gemeten, en de maximale en minimale ASR-waarden werden gebruikt voor de foutbalk.
De elektrische geleiding in de via-dikte richting neemt aanzienlijk toe als gevolg van de blootgestelde koolstofvezel (Figuur 2a) en voldoet aan de doelstelling van de DOE (departement van energie, Verenigde Staten) van ASR < 20 mΩ∙cm2 onder een verdichting druk van 1.38 MPa. Voor de meting van de mechanische eigenschap, werden trekproeven uitgevoerd volgens ASTM D3039. Negen monsters werden getest en de gemiddelde waarde werd opgevat als een representatieve waarde terwijl de maximale en minimale waarden werden gebruikt voor de foutbalk.
De treksterkte van de unidirectionele koolstofvezel composiet verandert niet veel, maar de carbon weefsel en carbon voelde type composieten tonen significante toenames in de treksterkte van 22% en 15%, respectievelijk, wanneer de methode van de zachte laag is toegepast. De treksterkte toeneemt omdat het zachte laag een uniforme druk kan worden toegepast op het gehele oppervlak. Om deze reden is de gas-permeabiliteit van de samengestelde verbeterd als goed10,14. Bovendien, worden de hechting kenmerken verbeterd als gevolg van het ruwe oppervlak gegenereerd door de vezels15.
Hoewel de zachte laag onvergelijkbare voordelen biedt, moet worden gewaakt bij de tenuitvoerlegging om het beste resultaat te bereiken. Gebruik eerst een zachte laag zonder poriën of gebreken. Hars zal bloeden uit door het gat, die in deuken resulteren zal na het uitharden en besmetting van de schimmel en composiet. Kleine rimpels verdwijnen onder hoge temperatuur en druk, maar gaten niet. Ten tweede moet de dikte van de zachte laag rekening worden gehouden bij het ontwerpen van een mal, zoals in het ontwerp van een mal kanaal-vorm voor een brandstofcel. Meten van de dikte van de zachte laag na het toepassen van een identieke druk en de temperatuur wat zal worden gebruikt om te genezen van de samengestelde; deze dikte wordt vastgesteld voor het ontwerp van de schimmel. Derde, meerdere lagen van de zachte laag zijn mogelijk, maar grote zorg moet worden genomen, zoals wanneer het aantal zachte verhoogt lagen, het vermogen om te verwijderen van de hars verhoogt. Rimpels kunnen echter worden weergegeven op het samengestelde oppervlak. Dit is vooral merkbaar voor niet-geweven carbon composieten voelde.
Als de vezels niet goed worden blootgesteld, er zijn vier opties om uit te kiezen: verhogen de uithardende druk; verhogen de uithardende temperatuur; Selecteer een andere zachte laag die lagere mechanische eigenschappen of thermische eigenschappen heeft; of een holte voorziet de overtollige hars. Omdat het fundamentele mechanisme van de methode van de zachte laag is gelegen in de vervorming van de zachte laag onder de toegepaste druk, kan de resultaten verbeteren door het aanpassen van de uithardende druk of temperatuur.
Kortom, brengt de methode van de zachte laag tal van voordelen die niet mogelijk met andere methoden wanneer uitgevoerd met juiste zorg waren. Vergeleken met de conventionele methoden om bloot vezels op het oppervlak, hoeft de methode van de zachte laag niet elk bericht oppervlaktebehandeling, waardoor het een ideale methode voor grote industriële toepassingen waar productiviteit is een cruciale factor. Deze methode kan verder worden uitgebreid tot een algemene samengestelde fabricage methode of de methode van een algemene samengestelde oppervlaktebehandeling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
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.
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).
