Summary
Se presenta un protocolo para exponer desnudas fibras en la superficie del compuesto mediante la eliminación de la zona rica de resina. Las fibras están expuestas durante la fabricación de los compuestos, no por el tratamiento superficial de post. Los compuestos de carbono expuestas presentan alta conductividad eléctrica en la dirección de espesor y altas propiedades mecánicas.
Abstract
La placa bipolar es un componente clave en pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFCs) y baterías de flujo de redox de vanadio (VRFBs). Es un componente multifuncional que debe tener alta conductividad, altas características mecánicas y alta productividad.
En este sentido, un compuesto de resina de fibra de carbono/epoxy puede ser un material ideal para sustituir la placa bipolar de grafito convencional, que a menudo conduce a la falla catastrófica de todo el sistema debido a su inherente fragilidad. Aunque el compuesto de carbono/epoxy tiene elevadas propiedades mecánicas y es fácil de fabricar, la conductividad eléctrica en la dirección del espesor es pobre debido a la capa rica en resina que forma en su superficie. Por lo tanto, una capa de grafito expandido fue adoptada para resolver el problema de la conductividad eléctrica. Sin embargo, la capa de grafito expandido no sólo aumenta los costos de fabricación pero también tiene propiedades mecánicas pobres.
En este estudio, se demuestra un método para exponer las fibras en la superficie del compuesto. Existen actualmente varios métodos que pueden exponer las fibras por tratamiento superficial después de la fabricación del compuesto. Este nuevo método, sin embargo, no requiere tratamiento superficial porque las fibras están expuestas durante la fabricación del compuesto. Al exponer el pelado fibras de carbono en la superficie, la conductividad eléctrica y resistencia mecánica del compuesto aumentan drásticamente.
Introduction
La placa bipolar es un componente clave de múltiples funciones de sistemas de conversión de energía y sistemas de almacenamiento de energía como celdas de combustible y baterías. Los requisitos funcionales clave de la placa bipolar son las siguientes: alta conductividad eléctrica en la dirección del espesor para reducir la pérdida óhmica, altas propiedades mecánicas para soportar la presión de compactación alta e impactos externos y alta productividad para la producción masiva.
Comparado con el grafito y metales que fueron adoptados convencionalmente como materiales para la placa bipolar, composites de fibra de carbono/epoxi tienen una mayor resistencia específica y la rigidez, lo que indica que el peso del sistema puede ser reducido por sustitución de los materiales de placa bipolar convencional con compuestos1. Sin embargo, compuestos de carbono/epoxy convencionales tienen mala conductividad eléctrica en la dirección del espesor, que se traduce en una resistencia específica de área grande (ASR), debido a la capa rica en resina que se forma en la superficie del compuesto. La capa rica en resina aislante previene el contacto directo entre los conductores de fibras de carbono y componentes adyacentes, como la otra placa bipolar, capa de la difusión del gas (GDL), y carbono sentía electrodo (CFE).
Muchos estudios se llevaron a cabo para resolver el ASR alta debido a la capa rica en resina. El primer acercamiento fue métodos de tratamiento superficial para eliminar selectivamente la capa rica en resina. Por ejemplo, abrasión mecánica se ha intentado quitar la resina en la superficie2. Sin embargo, las fibras de carbono fueron dañadas también, que dio lugar a un pobre ASR. Plasma tratamiento3,4 y microondas tratamiento métodos5,6 también fueron desarrollados para evitar el daño de la fibra, pero dio lugar a la uniformidad y baja productividad. El segundo enfoque, métodos de revestimiento capa conductora, incluye grafito expandido capa7,8. Este método reduce el ASR y ha sido considerado como un método estándar para la fabricación de una placa bipolar compuesta con éxito. Sin embargo, es costoso y tiene problemas de durabilidad y delaminación debido a la baja resistencia mecánica.
En este estudio, se demuestra el método"capa blanda", una novela método que puede dejar al descubierto las fibras de carbono en la superficie de la placa bipolar compuesta, de fabricación. El objetivo principal de este método es obtener un ASR baja con un coste de fabricación bajo. El método de capa suave adopta una fina capa suave como una película de lanzamiento del polímero entre el molde de compresión y placa bipolar. Después de curar en el molde de la compresión y el desprendimiento de la capa blanda, la placa bipolar fabricada muestra las fibras de carbono expuestas en la superficie sin tratamiento superficial posterior. Este método no sólo disminuyó el ASR pero también significativamente aumenta las propiedades mecánicas y había solucionado el problema de permeabilidad de gas. Este método puede aplicarse para muchos otros fines: el desarrollo de una placa conductora, la fabricación de una composición fina y la fabricación de un adhesivo común sin tratamiento superficial.
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Protocol
1. preparación de material
- preparación del material compuesto
Nota: PRECAUCIÓN, por favor consulte todas las hojas de datos de seguridad del material (MSDS) antes de su uso. Varios de los productos químicos usados en estos métodos pueden ser tóxicos y cancerígenos. Nanomateriales pueden tener peligros adicionales en comparación con sus contrapartes a granel. Utilice todas las prácticas de seguridad apropiadas cuando se realiza un experimento, incluyendo el uso de controles de ingeniería (campana, guantera) y equipo de protección personal (gafas, guantes, bata, pantalones largos, zapatos cerrados).
Nota: Dependiendo de la aplicación, el tipo de fibra de refuerzo puede ser uno o una combinación de los siguientes: fibra unidireccional, fieltro no tejido, tejido, fibra cortada.- Unidireccional de la fibra del tipo
- usar material compuesto previamente impregnado (preimpregnados), ya que es el más cómodo de usar.
- Pila de preimpregnados en una secuencia de apilamiento con 0 ° y 90 ° para evitar rajaduras. Por ejemplo, la pila en [0 3 90 3] s.
- Tipo de tela de tejido
- preparar la tela de tejido de carbono y el tipo de película de resina epoxi. Si utiliza un prepreg, omita los pasos 1.1.2.1 a 1.1.2.6.
- Limpiar a la tela con 99.5% acetona u otro solvente para desengrasar. Tenga precaución al manipular a la tela después de la limpieza para evitar la contaminación. Coloque la tela en un superficie limpia o pelusa paño.
- Eliminar el disolvente por la sequía bajo condiciones de ambiente durante 10 minutos
- Peel off de la película copia de seguridad de la resina de epoxy y colocar 1 capa de epoxi tipo a 1 capa de fibra de carbono.
- Coloque la tela de carbono epoxy-conectados sobre una placa caliente que es precalentada a 70 ° C durante 10 s para la impregnación previa.
- Enfriar el prepreg preparado en condiciones ambientales durante 10 minutos y retire la película otra copia de seguridad.
- La tela con la secuencia deseada de apilado de la pila, la pila por ejemplo, en [0] 3.
- Non-woven sentía
- preparar el fieltro no tejido.
- Limpiar el fieltro con 99.5% acetona u otro solvente para desengrasar. Tenga precaución al manipular el sentido después de la limpieza para evitar la contaminación. Colocar el fieltro en un paño limpio la superficie o pelusa.
- Peel off de la película copia de seguridad de la resina de epoxy y colocar 3 capas de epoxi tipo a 1 capa de carbono en cada lado.
- Lugar el carbono Unido epoxi fieltro sobre una placa caliente que es precalentada a 70 ° C durante 10 s para la impregnación previa.
- Enfriar el prepreg dispuesto en la condición ambiente durante 10 minutos y retire la película otra copia de seguridad.
- Unidireccional de la fibra del tipo
- Preparación de la capa blanda
Nota: para la capa suave, un fluoropolímero como fluorado etileno propileno (FEP), poliolefinas como el polietileno o polipropileno, politetrafluoroetileno (PTFE) o un caucho sintético tales como caucho de silicón o un fluoroelastomer puede ser utilizado. En este protocolo, película de FEP se adopta, y su rendimiento fuerza gotas drásticamente más de 120 ° C. 25 μm de espesor FEP es conveniente para fibra unidireccional y composites de fieltro no tejido, conviene un FEP de 100 μm de espesor más grueso para tejido compuestos de tipo 10.- Limpiar la capa blanda con acetona 99,5%. Manejar con cuidado para evitar las arrugas y poros.
- Paño de la acetona en la suave capa con trapos libres de pelusa. No Asegúrese de que ningún contaminante en la capa suave porque se transferirá a la resina durante el proceso de curado. Mantenga siempre la suave capa de polvo y pequeñas partículas ya que pueden dañar no sólo la composición sino también el molde de la compresión.
2. Fabricación de compuestos
- instalación del molde de compresión
- preparar un molde de compresión con una cavidad de tamaño 120 x 120 mm.
- Aplicar el desmoldante al molde de compresión. Simplemente pegue o spray desmoldante al molde y limpiar con trapos sin pelusa hasta sólo una fina capa de restos de liberación de molde.
- Cortar el laminado compuesto preparado para un tamaño de 118 x 118 mm.
- Colocar 1 capa de película de FEP de 25 μm de espesor en el molde inferior.
- El compuesto laminado en la película de FEP y otra película de FEP en el laminado de.
- Aplanar la capa suave y eliminar las burbujas de aire que están atrapadas entre la capa suave y compuesto laminado.
- Cerrar el molde para el moldeo por compresión.
- De moldeo por compresión
- calentar la prensa caliente a 150 ° C.
Nota: La temperatura de la muestra dentro del molde es de 140 ° C en esta condición. El uso de una temperatura más baja también es posible si se adopta un elastómero o poliolefina para la capa blanda. Considerar tanto la temperatura de curado del compuesto y la temperatura de ablandamiento de la capa suave para determinar la temperatura de curado. - Colocar el molde en la prensa caliente.
- Aplicar presión con la prensa caliente; el curado horario y presión dependen del tipo de compuesto.
- Para un compuesto de fibra unidireccional, aplique una presión constante de 20 MPa por 30 min; no se requiere ningún proceso adicional.
- Para un compuesto del tipo de tejido, aplique 20 MPa. Después de 4 minutos y 8 minutos, liberar la presión a cero y aplicar inmediatamente MPa 20 otra vez.
Nota: Este proceso se llama purga, y su propósito es quitar excesiva resina y burbujas de aire atrapado. El número de pasos purgantes puede incrementarse dependiendo del tamaño del compuesto; compuestos de mayor tamaño requieren más limpieza.- Sin embargo, después de que la viscosidad de la resina comienza a aumentar, no purga. Curación por 30 min en total.
- Para el no tejido fieltro tipo compuesto, aplicar 3 MPa 30 min cuidado de rebasamiento de la presión, que darán lugar a vacíos o defectos en el producto final. Aumentar la presión lentamente para evitar presión overshoot.
- Enfriar el molde de compresión en la prensa caliente sin soltar la presión por debajo de 120 ° C, que es la temperatura de transición vítrea del compuesto fabricado.
- Libere la presión y retire el molde de la compresión de la prensa caliente.
- El producto final del molde de la compresión del demold.
- calentar la prensa caliente a 150 ° C.
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Representative Results
Los especímenes fabricados se observan con microscopía electrónica (SEM) (figura 1). Porque la capa rica en resina que cubre la parte superior de las fibras es de sólo unos micrómetros de espesor, un óptico de la imagen microscópico observado en la parte superior de la muestra no es apropiado. Una imagen de SEM observada por la inclinación de la muestra en 5° proporciona una imagen más representativa. En comparación con los compuestos fabricados por moldeo por compresión convencional, que tiene su superficie cubierta con resina, fibras desnudas están expuestas sin defectos cuando los compuestos se fabrican por el método de la capa blanda. El método de capa suave era aplicable a los compuesto de carbono unidireccional, compuesto de tela de carbono y carbono fieltro compuesto.
Figura 1: imágenes de SEM de la pieza fabricada. (un) unidireccional fibra composite con método convencional11; (b) unidireccional compuesto de fibra con capa suave método11; (c) tejido compuesto de tela con método convencional12; (d) tejido compuesto de tela con capa suave método12; (e) fieltro no tejido compuesto con método convencional13; (f) no tejido fieltro compuesto con capa suave método13. Todas las imágenes de referencias han sido reimpresos con permiso de editores originales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: rendimiento de la placa bipolar compuesta. Aquí, el valor promedio fue tomado como un valor representativo, mientras que los valores máximos y mínimos fueron utilizados para las barras de error. (un) conductividad eléctrica en la dirección del espesor, área de resistencia específica (ASR) se muestra; (b) resistencia a la tracción. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
El método de capa suave proporciona ventajas significativas en comparación con los métodos convencionales y con un menor costo de fabricación. Los tres tipos de materiales compuestos fabricados por el método de capa suave muestran características únicas en términos de las propiedades eléctricas, propiedades mecánicas, permeabilidad de gas y propiedades de adhesión.
Para la medición de las propiedades eléctricas, se utilizó un método de sondeo de cuatro puntos. ASR se midió 5 veces y el valor promedio fue tomado como un valor representativo para que la placa bipolar. Un total de cinco placas bipolares fueron medidos y los valores máximos y mínimos de ASR se utilizaron para la barra de error.
La conductividad eléctrica en la dirección de espesor aumenta significativamente debido a la fibra de carbono expuesta (Figura 2a) y cumple con el objetivo DOE (Departamento de energía, Estados Unidos) de ASR < 20 mΩ∙cm2 bajo una compactación presión de 1,38 MPa. Para la medición de las propiedades mecánicas, ensayos de tracción fueron realizados según ASTM D3039. Nueve ejemplares fueron probados y el valor promedio fue tomado como un valor representativo al máximo y los valores mínimos fueron utilizados para la barra de error.
Resistencia a la tracción del fibra de carbono unidireccional compuesto no cambia mucho, pero la tela de carbono y compuestos de carbono tipo fieltro muestran aumentos significativos en la fuerza extensible del 22% y 15%, respectivamente, cuando se aplica el método de la capa blanda. La fuerza extensible aumenta porque la capa blanda puede aplicar una presión uniforme sobre toda la superficie. Por esta razón, se mejora la permeabilidad de gas del compuesto como bien10,14. Además, se mejoran las características de adherencia debido a la superficie rugosa generada por las fibras15.
Aunque la capa suave ofrece ventajas incomparables, debe tenerse cuidado en la aplicación para lograr el mejor resultado. En primer lugar, utilice una capa suave sin poros ni defectos. Resina sangrarán hacia fuera a través del agujero, que darán lugar a golpes después de curar así como la contaminación del molde y compuesto. Pequeñas arrugas desaparecerán bajo temperatura alta y presión, pero no los agujeros. En segundo lugar, el espesor de la capa blanda debe tenerse en cuenta al diseñar un molde, como en el diseño de un molde de forma de canal para una pila de combustible. Medir el espesor de la capa suave después de aplicar una misma presión y temperatura a lo que se solía curar el compuesto; Este espesor se adoptarán para el diseño de molde. Tercero, capas múltiples de la capa blanda están posibles, pero debe tener mucho cuidado, como cuando el número de soft capas aumenta, aumenta la capacidad de quitar la resina. Sin embargo, las arrugas pueden aparecer en la superficie del compuesto. Esto es especialmente sensible no tejido carbono sentía compuestos.
Si las fibras no están bien expuestas, hay cuatro opciones para elegir: aumentar la presión de polimerización; aumentar la temperatura de curado; Seleccione otra capa suave que tiene menores propiedades mecánicas o propiedades térmicas; o proporcionar una cavidad para el exceso de resina. Porque el mecanismo básico del método de la capa blanda se encuentra en la deformación de la capa blanda debajo de la presión aplicada, modificando la presión o la temperatura de curado puede mejorar los resultados.
En conclusión, el método de capa suave trae numerosos beneficios que no eran posibles con otros métodos cuando se implementa con el cuidado apropiado. En comparación con los métodos convencionales para exponer las fibras en la superficie, el método de la capa blanda no requiere ningún tratamiento superficial de post, lo que es un método ideal para aplicaciones industriales de gran superficie donde la productividad es un factor crucial. Este método puede ser ampliado a un método de fabricación compuesto general o un método de tratamiento superficial compuesto general.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Esta investigación fue apoyada por el centro de investigación clima cambio de KAIST (grant no. N11160012), el líder extranjero Instituto contratación programa de investigación a través de la Fundación Nacional de investigación de Corea financiado por el Ministerio de ciencia, TIC y futuro planificación (grant no. 2011-0030065), el líder humano recursos programa de formación de Industria regional de Neo a través de la nacional investigación Fundación de Corea (NRF) financiado por el Ministerio de ciencia, TIC y planeación de futuro (no de la concesión. NRF-2016H1D5A1910603). Su ayuda es muy apreciada.
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).
