علوم و فناوری کامپوزیت

ساخت و تحلیل صفحات دوقطبی کامپوزیتی با گرافیت انبساط یافته جهت افزایش هدایت الکتریکیِ پیل‌های سوختی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه شیمی، علوم پایه، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجائی، تهرا ن.

2 دانشیار ، گروه شیمی، علوم پایه، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجائی، تهران.

3 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجائی، تهرا ن.

4 کارشناس ارشد، مهندس مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجائی، تهرا ن.

10.22068/jstc.2019.103279.1511

چکیده

صفحات دوقطبی از پرکاربردترین و اجزای اصلی یک پیل سوختی پلیمری است. در این مقاله ابتدا صفحات دوقطبی کامپوزیتی طبق استاندارد دپارتمان انرژی (DOE) ساخته شده و سپس میزان هدایت الکتریکی و رفتار مکانیکی آنها تعیین و بررسی شده است. صفحات دوقطبی کامپوزیتی به روش ریخته‌گری تحت‌فشار و حرارت ساخته شدند. برای ساخت این صفحات از رزین فنولیک به‌عنوان زمینه کامپوزیت، از گرافیت انبساط یافته جهت افزایش هدایت الکتریکی، از گرافیت به عنوان پرکننده و از پارچه کربنی جهت افزایش استحکام خمشی و بهینه کردن هدایت الکتریکی استفاده شد. آزمون‌های تجربی نیز مطابق معیار DOE انجام پذیرفت. میزان هدایت الکتریکی در بهترین حالت، نسبت به معیار استاندارد به میزان بیش از 40 درصد افزایش یافت. میزان استحکام خمشی و استحکام ضربه نمونه‌های اندازه‌گیری شده نسبت به معیار استاندارد، در بهترین حالت، به ترتیب تا 11 و 170 درصد افزایش یافت. با توجه به تصاویر SEM و نتایج آزمون‌ها مشخص شد که هدایت الکتریکی با استفاده از گرافیت انبساط یافته افزایش می‌یابد. نیز مشخص شد که افزایش درصد وزنی گرافیت انبساط یافته تأثیری در رفتار مکانیکی کامپوزیت ندارد و تنها هدایت الکتریکی کامپوزیت را افزایش میدهد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Fabrication and analysis of composite bipolar plates with expanded graphite to increase electrical conductivity of fuel cells

نویسندگان [English]

  • Poorya Poostan 1
  • Rasool Abdullah Mirzaie 2
  • Faramarz Ashenai Ghasemi 3
  • Elghar Abdullahi 4

1 Department of Chemistry, Faculty of Science, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran.

2 Department of Chemistry, Faculty of Science, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran.

3 Faculty of Mechanical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran.

4 Faculty of Mechanical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran.

چکیده [English]

Bipolar plates are one of the most important components in a PEM fuel cell. In this study, a bipolar plate made of stamping method is developed to increase electrical conductivity and mechanical behavior and manufacturing productivity of the fuel cell and to decrease electrical resistance according to DOE. For fabrication these plates, phenolic resins were used as matrix and expanded graphite to increase electrical conductivity and graphite to filler and carbon fiber to increase flexural strength and optimize electrical conductivity. The electrical conductivity increased up to 40 percent respect to the DOE. The flexural strength and impact strength of the measured specimens were improved respect to the DOE about 11 and 170 percent, respectively. The experimental results are in accordance with DOE. According to SEM images and test curves, electric conductivity increases with expanded graphite filler. Finally, the results showed that expanded graphite weight gain did not affect the mechanical behavior of the composite and increased the electrical conductivity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bipolar Plate
  • Fuel Cell
  • Expanded Graphite
  • Composite
  • Electrical Conductivity
مراجع
[1]   Hermann, A., T. Chaudhuri, and P. Spagnol," Bipolar Plates for PEM Fuel Cells A Review,". International Journal of Hydrogen Energy, 30(12): p. 1297-1302, 2005.
[2]   Dhakate, S.R., et al., "Expanded Graphite-Based Electrically Conductive Composites as Bipolar Plate for PEM Fuel Cell,". International Journal of Hydrogen Energy, 33(23): p. 7146-7152,2008.
[3]   Afshari, E, "Analysis of Function PEM Fuel Cell in Vehicle," In Persian, Journal of Engine Research, Vol. 5, No. 16, PP.3-15,2008.
[4]   N. Mohammadtabar, M. Bakhshi-Jooybari, S.J.         Hosseinipour, A.H. Gorji, "Study of Effective Parameters      Inhydroforming of Fuel Cell Metallic Bipolar Plates with         Parallelserpentine Flow Field," In Persian, Journal of        Modares Mechanical        Engineering, Vol. 14, No. 8, pp. 17     27, 2014
[5]   Chunhui, S., P. Mu, and Y. Runzhang, "The Effect of Particle Size Gradation of Conductive Fillers on the Conductivity and the Flexural Strength of CompositeBipolar Plate,". International Journal of Hydrogen Energy, 33(3): p. 1035-1039,2008.
[6]   Kang, S.-J., et al., "Solvent-Assisted Graphite Loading for Highly Conductive Phenolic Resin Bipolar Plates for Proton Exchange Membrane Fuel Cells,". Journal of Power Sources, 195(12): p. 3794-3801, 2010
[7]   Taherian, R., "A Review of Composite and Metallic Bipolar Plates in Proton Exchange Membrane Fuel Cell: Materials, Fabrication, and Material Selection,". Journal of Power Sources,  265: p. 370-390, 2014
[8]   Bourell, D.L., et al., "Graphite-Based Indirect Laser Sintered Fuel Cell Bipolar Plates Containing Carbon Fiber Additions,". CIRP Annals,  60(1): p. 275-278, 2011
[9]   Kang, K., et al., "Development of Ultralight and Thin Bipolar Plates Using Epoxy-Carbon Fiber Prepregs andGraphite Composites," International Journal of Hydrogen Energy, 42(3): p. 1691-1697, 2017
[10] Heo, S.I., et al., "Development of Preform Moulding Technique Using Expanded Graphite for Proton Exchange Membrane Fuel Cell Bipolar Plates,". Journal of Power Sources, 171(2): p. 396-403, 2007.
[11] Lee, D. and D.G. Lee, "Carbon Composite Bipolar Plate for High-Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells (HT-PEMFCs)," Journal of Power Sources, 327: p. 119-126, 2016
[12] Lee, D., et al., "Development of Non-Woven Carbon Felt Composite Bipolar Plates Using the Soft Layer Method," Composite Structures, 160: p. 976-982, 2017
[13]  Adloo, A., et al., "High Performance Polymeric Bipolar Plate Based on Polypropylene/Graphite/Graphene/Nano-Carbon Black Composites for PEM FuelCells," Renewable Energy, 99: p. 867-874, 2016
[14] Bairan, A., et al., "Effect of Carbon Nanotubes Loading in Multifiller Polymer Composite as Bipolar Plate for PEM Fuel Cell," Procedia Chemistry, 19: p. 91-97, 2016.
[15] Jiang, B., et al., "Manufacturing andCharacterization of Bipolar Fuel Cell Plate with Textile Reinforced Polymer Composites," Materials & Design (1980-2015), 65: p. 1011-1020, 2015.
[16] Lim, J.W., M. Kim, and D.G. Lee, "Conductive Particles Embedded Carbon Composite Bipolar Plates for ProtonExchange Membrane Fuel Cells," Composite Structures, 2014. 108: p. 757-766, 2014.  
[17] Maheshwari, P. H., Mathur R. B., Dhami T. L., "Fabrication of High Strength and a Low Weight Composite Bipolar Plate for Fuel Cell Applications," Journal of Power Sources, Vol. 173, No.1, pp. 394-403, 11/8/, 2007.
[18] Abdolahi, E.,"Experimental Analysis of Mechanical Behaviorof the CompositeBipolar Plates in Proton Exchange Membrane Fuel Cell" In Persian,. journals of.tabriz, No. 80, p149-458,2017.
علوم و فناوری کامپوزیت
دوره 6، شماره 3
آذر 1398
صفحه 465-472
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار