In this work, we prepared the carbon paper from chopped carbon fibers using a gas diffusion matrix in polymer electrolyte membrane fuel cells by wet processing. The process of making carbon paper using wet processing is consisted of the three steps involving the dispersion of chopped carbon fibers, the preparation of the carbon fiber web, the impregnating of phenol resin. This work was focused on finding the optimal surfactant to make the carbon paper with 2D orientation of carbon fibers by investigating the dispersion state of carbon fibers in different dispersion solutions. Furthermore, the effect of phenol resin and carbon black contents on properties of electric conductivity was analyzed. As a result, it is confirmed that the carbon fiber was well dispersed when using sodium dodecyl sulfate as a surfactant, and the carbon paper with 8 wt% of phenol and 5 wt% of carbon black contents showed the most excellent electrical property.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2016.11a
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pp.185-185
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2016
아크릴계 수지(resin)에 인조 흑연과 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 1:1 비율로 혼합한 충전제(filler)와 용제(solvent) 및 기타 첨가제(additives)를 혼합하여 방열도료를 제조하여 수직방향 열전도도를 상온에서 평가하였다. 충전제의 함량을 1, 2, 5 중량 %로 변화시키며 원료들을 준비하여 교반기로 혼합한 뒤 3단 롤 밀(three roll mill)로 분산공정을 진행하여 3 종류의 도료를 제조하였다. 제조한 도료를 가로 11 mm, 세로 11 mm, 두께 0.4 mm의 Al 5052 알루미늄 기판에 스프레이 코팅 방식으로 도포한 후 $150^{\circ}C$에서 30분 동안 열경화 건조 과정을 거쳐 샘플을 제작하였다. 측정 시료의 형상은 대략적으로 Fig. 1과 같다. 열전도도는 식 $k={\alpha}{\cdot}C_p{\cdot}{\rho}$를 사용해서 계산된다. 여기서 k는 열전도도($W/m{\cdot}K$), ${\alpha}$는 열확산계수($mm^2/s$), $C_p$는 비열($J/kg{\cdot}K$), ${\rho}$는 밀도($g/cm^3$)를 나타낸다. 열확산계수는 독일 NETZSCH 사의 Laser Flash Analysis 장비(모델명 LFA 457)를 사용하여 측정하였는데, 기판 뒤쪽에서 레이저를 조사하고 도료층 전면에서 적외선 온도센서를 통해 시간에 따른 온도 상승곡선을 구한 후, 두 물체의 계면에서의 접촉 열저항(contact thermal resistance)을 감안하여 장비에 내장되어 있는 소프트웨어로 열확산계수가 계산된다. 비열은 같은 회사의 DSC(Differential Scanning Calorimetry) 200 F3 장비를 사용해 측정했으며, 밀도는 부피와 질량을 측정한 값을 이용하여 계산하였다. 도료를 도포하지 않은 bare Al plate에 대해서는 쉽게 열확산계수, 비열, 밀도를 측정하여 열전도도를 구할 수 있다. 도료가 코팅된 샘플에 대해서는 도료층을 일부 떼어내 비열을 측정하고, 밀도를 구한 후, 도료층의 열전도도가 2-layer 법으로 장비 내장 소프트웨어로 계산된다, 이때 Al 기판의 열확산계수, 비열, 밀도는 미리 측정한 bare Al plate의 값을 적용하였다. 실험 결과를 Table 1에 정리하였다. 흑연과 탄소나노튜브를 혼합한 충전제를 함유한 아크릴 복합체 박막에서 측정된 열전도도는 보통 고분자 재료의 열전도도 값의 상한 영역에 육박하는 값이며, 충전제 함량이 증가할수록 열전도도가 증가하는 경향을 보이고 있다.
This study has been constructed to establish the formation of the VC layer on various steels by immersion in fused borax bath containing Fe-V powder. The result obtained from the experiment are as follows. (1) The carbide is supposed to grow on the front surface of the carbide layers by the reaction between carbide-forming elements dissolved in the fused borax and carbon atoms successively supplied through the layer from the matrix. (2) The growth rate of the carbide layers was controlled by the diffusion rate of C in the carbide layer and C content in the matrix. (3) Carbide layer formed on the surface of the specimen is VC layer and the hardness of this layer is above $H_v$ 3000.
Phenolic resin used as a precursor of carbonized matrix for carbon-carbon composites was modified by addition of molybdenum disilicide (MoSi$_2$) in various concentrations of 0, 4, 12 and 20% by weight to improve the anti-oxidation properties of the composites. The green body was manufactured by a prepreg method and was submitted to carbonization up to 110$0^{\circ}C$. In this work, the oxidation behavior of carbon-carbon composites with MoSi$_2$ as an oxidation inhibitor was investigated at the temperature range of 600-100$0^{\circ}C$ in an air environment. The carbon-carbon composites with MoSi$_2$ showed a significantly improved oxidation resistance due to both the reduction of the porosity formation and the formation of mobile diffusion barrier for oxygen when compared to those without MoSi$_2$. Carbon active sites should be blocked, decreasing the oxidation rate of carbon. This is probably due to the effect of the inherent MoSi$_2$ properties, resulted from a formation of the protective layer against oxygen attack in the composites studied.
Transactions of the Korean hydrogen and new energy society
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v.23
no.1
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pp.34-42
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2012
Gas diffusion layers (GDLs) of carbon composite type in polymer electrolyte fuel cells were prepared by simple and cheap manufacturing process. To obtain the carbon composite GDLs, carbon black with polymer binder was mixed in solvent, rolled to make sheet, and finally heat-treated at $340^{\circ}C$. The performance of fuel cell using composite GDLs was changed by PTFE content. The physical properties of composite GDLs for pore, conductivity and air permeability were analyzed to compare with the variation of fuel cell performance. The conductivity of composite GDLs was very similar to carbon paper as commercial GDL but pore properties and air flux were considerably different. The porosity, PTFE content and conductivity for composite GDLs did not have an influence on the cell performance much. The increase of pore diameter and air flux led to enhance cell performance.
Park, Jaeman;Oh, Hwanyeong;Cho, Junhyun;Min, Kyoungdoug;Lee, Eunsook;Jyoung, Jy-Young
Transactions of the Korean hydrogen and new energy society
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v.24
no.3
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pp.216-222
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2013
Durability characteristics of Gas Diffusion Layer(GDL) is one of the important issues for accomplishing commercialization of Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC). It is strongly related to the performances of PEMFC because one of the main functions of GDL is to work as a path of fuel, air and water. When the GDL does not work on their proposed functions due to the degradation of durability, mass transfer in PEMFC is disturbed and it might cause the flooding phenomenon. Thus, investigating the durability of GDL is important and understanding the GDL degradation process is needed. In this study, electrochemical degradation with carbon corrosion is introduced. The carbon corrosion experiment is carried out with GDLs which have different MPL penetration thicknesses. After the experiment, the amount of degradation of GDL is measured with various properties of GDL such as weight, thickness and performance of the PEMFC. The degraded GDL shows loss of their properties.
Proton Exchange Membrane Fuel Cell (FEMFC) is a strong candidate for future automobile and power generation because of its high power density, low emission and low operation temperature. The major concerns of the gas diffusion layer (GDL) inside a FEMFC is water management. The GDL is typically comprised of carbon for electrical conductivity and PTFE for Hydrophobicity. In this simulation, GDL flooding was investigated using a simplified approach method of an established equation models(Fick' Law, Darcy, Law, Stefan-Maxwell diffusion). The performance of GDL was shown using result of the inner heat, water density and oxygen density of the cell using model equations. The catalyst layer mode in FEMFC showed results of effectiveness factor, Butler-volmer and hydrogen flux density. These results are interesting because the influence of several factors has been shown and the information will be helpful for fuel cell design.
Small amounts of CO in reformate fuel gas effectively block platinum catalysts by strong adsorption on the platinum surface at the operation temperature of $60{\sim}80^{\circ}C$ in PEMFC. To oxidate CO, Ru/C layer (CO filter) was placed between Pt/C layer and GDL (gas diffusion layer) in this study. Ru/C filter provided good CO-tolerant PEMFC anode, but decreased the performance of unit cell about 10% at 0.6 V due to mass transfer resistance from Ru/C filter thickness and increase of charge transfer resistance. Membrane degradation is one of the most important factors limiting the life-time of PEMFCs. Membrane durability would be dependent on the electrode catalyst type. It seemed that Ru catalyst layer would shorten the life time of PEMFC as enhanced the fluoride emission rate of membrane in acceleration test.
Desalination effects of capacitive deionization (CDI) process was studied using $TiO_2$/activated carbon electrode. In order to enhance the wettability of electrode and decrease a electrode resistance, $TiO_2$ was coated on activated carbon. By means of $TiO_2$ coating on activated carbon, electric double layer to adsorption content in CDI process was increased. It was identified from TEM, XRD, and XPS that the activated carbon based on $TiO_2$ composite was fabricated successfully by means of sol-gel method. As a results of cyclic voltammetry and impedance, it was identified that $TiO_2$/activated carbon electrode has more electric double later capacitance and less diffusion resistance than activated carbon. Also charge-discharge and ion conductivity profiles showed that the ion removal ratios of $TiO_2$/activated carbon electrode in NaCl electrolyte of $1000\;{\mu}S/cm$ more increased about 39% than that of activated carbon. In conclusion it was possible to identify that the carbon electrode coated $TiO_2$ as electrode material was more effective than raw carbon electrode.
자동차는 코너 주행 시 In-corner와 Out-corner 의 바퀴 궤적이 달라지므로, 특별한 장치가 없이 좌우 구동 측의 바퀴가 같은 속도로 회전을 하게 되면 정상적인 주행이 불가능하다. 따라서 정상적인 코너 주행이 가능 하려면, 코너 안쪽 바퀴보다 바깥쪽 바퀴가 더 빨리 회전해야 하며 이러한 회전 차를 보상받지 못할 경우 바깥쪽 바퀴가 끌리는 현상이 발생하는데 이를 방지하기 위해 디퍼렌셜 기어가 필요하다. 현재 디퍼렌셜 기어는 디퍼렌셜 케이스와 링기어를 볼트로 체결하는 조립 공법을 통해 생산되고 있다. 하지만 볼트 체결 공법은 조립을 위한 볼트와 볼트 체결을 위한 플랜지와 볼팅을 위한 홀을 가공하는 공정이 필요하기 때문에 재료비 절감 및 생산 효율 향상에 매우 불리하고 볼트체결을 위한 부분 때문에 불필요한 무게가 증가하게 된다. 따라서 본 연구에서는 이러한 기계적 체결 방식을 레이저 용접 방식으로 대체하여 재료비를 절감하고 무게 저감을 통해 주행성능을 향상시키고자 하였다. 링기어의 소재는 침탄처리강(SCM420H)이며 디퍼렌셜 케이스의 소재는 주철(GCD500)을 사용하고 있다. 주철은 용접시 용접부와 열영향부에서 마르텐사이트 조직과 레데브라이트, 시멘타이트 조직이 생성되며 고탄소 모재의 탄소 확산으로 인한 부분 혼합영역에서 탄소 합금이 생성되어 균열이 발생하는 등 용접성이 매우 좋지 않은 것으로 알려져 있다. 이러한 주철의 난용접성을 해결하는 방법으로는 고탄소 모재 용접시 발생하는 탄소의 확산을 억제하거나 예열이나 후열 처리를 통한 냉각 속도의 제어하는 방법과 오스테나이트 안정화 원소를 첨가한 필러와이어를 사용하여 용접시 마르텐사이트와 시멘타이트의 성장을 방해하는 방법 등이 이용되고 있다. 본 연구에서는 예열처리나 후열처리를 통한 주철의 용접법은 대량 생산을 통한 원가절감을 노리는 자동차 업계의 특성에 비추어 볼 때 비용이나 프로세스 구성 면에서 적용하는 것이 어려울 것이라 판단하여 Ni-base filler metal을 통한 주철의 용접법을 선택하였고 그 결과 실차에 적용하기 위한 비틀림 강성 테스트나 내구 테스트는 통과하였으나 NVH 테스트 결과 볼팅 체결 방식에 비하여 소음이 커지는 문제가 발생하고 링기어의 HAZ부가 고경화 되는 문제가 발생하였다. 때문에 용입깊이를 초기 시제품인 5mm에서 4mm로 변경시켜 입열량 감소 및 용접변형을 줄여 소음 문제를 해결하고자 하였으며 링기어의 침탄층을 1mm 절삭하여 링기어 HAZ부의 고경화 문제를 해결하고자 하였다. 이러한 용접 구조 변경이 용접변형 및 강성과 피로에 미치는 영향력을 알아보고자 용접 및 열처리 상용 소프트웨어인 SYSWELD, 구조해석 상용소프트웨어인 NX_NASTRAN, 피로 해석 상용 소프트웨어인 FEMFAT을 이용하여 시뮬레이션 하였고 실제 구조 변경한 용접 시제품과 비교, 분석하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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