열가소성 복합소재를 이용하여 사출성형 한 PEMFC용 bipolar plate의 전기전도도 및 기계적 특성 연구 A study on the electrical and mechanical properties of PEMFC bipolar plate by thermoplastic composite injection molding process원문보기
본 논문은 매트릭스 수지로 LCP(Liquid crystal polymer)를 사용하였으며, 기계적 특성 및 화학적 특성을 증대시키기 위해 주 첨가제로 synthetic graphite, expanded graphite와 보조 첨가제로는 carbon black을 사용하여, 함량 별로 복합소재를 제조하였다. 사출성형 전 CAE 프로그램으로 해석을 하였으며, 유동성과 섬유 배향을 예측 했다. 복합 소재는 전동식 사출기를 이용하여 ASTM 복합 시편으로 사출성형 하였으며, 시편을 four point probe 장치를 사용하여 전기전도도를 측정/비교 하였으며, 기계적 강도는 굴곡강도, 굴곡탄성률, 충격강도를 측정하였다. 첨가제가 증가할 수록 전기전도도는 증가하나 첨가제의 brittle한 특성으로 인해 기계적 강도는 감소하는 것을 확인 할 수 있었다.
본 논문은 매트릭스 수지로 LCP(Liquid crystal polymer)를 사용하였으며, 기계적 특성 및 화학적 특성을 증대시키기 위해 주 첨가제로 synthetic graphite, expanded graphite와 보조 첨가제로는 carbon black을 사용하여, 함량 별로 복합소재를 제조하였다. 사출성형 전 CAE 프로그램으로 해석을 하였으며, 유동성과 섬유 배향을 예측 했다. 복합 소재는 전동식 사출기를 이용하여 ASTM 복합 시편으로 사출성형 하였으며, 시편을 four point probe 장치를 사용하여 전기전도도를 측정/비교 하였으며, 기계적 강도는 굴곡강도, 굴곡탄성률, 충격강도를 측정하였다. 첨가제가 증가할 수록 전기전도도는 증가하나 첨가제의 brittle한 특성으로 인해 기계적 강도는 감소하는 것을 확인 할 수 있었다.
This research aims to develop polymer composites which can be used for PEMFC bipolar plate by injection molding process. Considering the moldability and stiffness, we used LCP(Liquid crystal polymer) as base resin. In order to improve electrical conductivity and mechanical properties, we chose carbo...
This research aims to develop polymer composites which can be used for PEMFC bipolar plate by injection molding process. Considering the moldability and stiffness, we used LCP(Liquid crystal polymer) as base resin. In order to improve electrical conductivity and mechanical properties, we chose carbon black, and both synthetic graphite and expanded graphite. The composites with different recipe are prepared for injection molding of PEMFC bipolar plate and CAE(Computer Aided Engineering) analysis was performed to predict melt flow and fiber orientation We did successfully fabricate the ASTM specimens by injection molding, and measure the electrical conductivity of the samples by using four point probe device. We measured mechanical properties such as flexural strength, flexural modulus and Izod impact strength. Conclusively, the electrical conductivity increased with increasing additive concentration, but both flexural strength and Izod impact strength decreased due to the brittle nature of carbon-based additives.
This research aims to develop polymer composites which can be used for PEMFC bipolar plate by injection molding process. Considering the moldability and stiffness, we used LCP(Liquid crystal polymer) as base resin. In order to improve electrical conductivity and mechanical properties, we chose carbon black, and both synthetic graphite and expanded graphite. The composites with different recipe are prepared for injection molding of PEMFC bipolar plate and CAE(Computer Aided Engineering) analysis was performed to predict melt flow and fiber orientation We did successfully fabricate the ASTM specimens by injection molding, and measure the electrical conductivity of the samples by using four point probe device. We measured mechanical properties such as flexural strength, flexural modulus and Izod impact strength. Conclusively, the electrical conductivity increased with increasing additive concentration, but both flexural strength and Izod impact strength decreased due to the brittle nature of carbon-based additives.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
가설 설정
이러한 단점을 보완하기 위해 흑연과 같은 전도성이 뛰어난 탄소계열의 충전제를 고분자와 혼합하여 복합소재를 제조하는 연구가 수행되고 있다. 전기 전도성 고분자 복합재는 전도성 성능에 영향을 미친다. 복합재를 이용하여 성형한 분리판은 제작이 쉽고, 경량화가 가능하며 제조공정이 간단하여 제조시간을 줄일 수 있다.
제안 방법
본 연구에서는 열방성 액정고분자(thermotropic liquid crystal polymer)를 사용하였으며, 물리적 및 화학적 특성을 증대시키기 위해 주 첨가제로는 팽창 흑연, 합성 흑연과 보조 첨가제로는 카본 블랙을 사용하여 함량 별 복합 소재를 제조 하였다. CAE를 통해 유동 패턴과 분산성을 예측하였고, 전동식 사출성형기를 이용하여 ASTM 시편을 사출하였으며, 전기적 특성과 기계적 특성을 확인 하였다.
그림 6은 전기전도도를 그래프로 비교 화 하였다. 또한 굴곡 시편 및 충격 시편을 UTM을 이용하여 굴곡강도, 탄성률을 측정하였으며, 충격 강도 측정기를 이용하여 충격강도를 측정 하였다. 그림 7과 8은 굴곡강도, 굴곡성률, 충격강도를 나타내었다.
전동식 사출기를 이용하여 사출 한 ASTM 복합시편을 이용하여 전기전도도 및 굴곡강도, 굴곡탄성률, 충격강도를 평가하였다. 전기전도도 평가는 Four point probe 장치(CMT SR-1000 version 3.
제품개발 전 문제점을 예측하기 위하여 모델링을 하였다. Nx Uni-graphics를 이용하여 분리판 모델링을 하였고, 성형해석을 위해 Mold flow를 이용하여 해석에 필요한 모델을 완성하였다.
대상 데이터
ASTM 시편제작 시 사용된 전동식 사출성형기는 110TON LS 사출기를 사용하였고, 매트릭스 수지로는 삼성정밀화학에서 제공한 LCP를 사용하였고, 충전제는 팽창흑연, 합성 흑연, 카본 블랙을 사용하였다. 함량은 표 3에 나타내었다.
CAE 해석을 위해 사용된 수지는 LCP/Glass fiber 50%이다. 해석조건은 표 2와 같다.
본 연구에서는 열방성 액정고분자(thermotropic liquid crystal polymer)를 사용하였으며, 물리적 및 화학적 특성을 증대시키기 위해 주 첨가제로는 팽창 흑연, 합성 흑연과 보조 첨가제로는 카본 블랙을 사용하여 함량 별 복합 소재를 제조 하였다. CAE를 통해 유동 패턴과 분산성을 예측하였고, 전동식 사출성형기를 이용하여 ASTM 시편을 사출하였으며, 전기적 특성과 기계적 특성을 확인 하였다.
LCP에 대한 특성은 아래 표에 나타내었다. 선정된 수지를 이용하여 6가지의 복합소재를 제조하였다.
수지의 선정은 성형성이 우수하고, 강도가 우수한 LCP(Liquid Crystal Polymer)를 이용하였고, 충전제(팽창 흑연, 합성 흑연, 카본 블랙)는 전도성 향상에 효과가 좋고 가공성이 우수한 것을 선정하였다. 팽창흑연은 ash가 0.
이론/모형
제품개발 전 문제점을 예측하기 위하여 모델링을 하였다. Nx Uni-graphics를 이용하여 분리판 모델링을 하였고, 성형해석을 위해 Mold flow를 이용하여 해석에 필요한 모델을 완성하였다.
사출성형공정은 제품을 저비용으로 대량 생산할 수 있는 장점이 있지만 금형 제작 후에도 제품을 생산하기 까지 금형 수정이 빈번하게 요구되어 비용 및 기간이 증가하는 단점이 있어 재현성 확보가 어렵다. 따라서 시행착오를 줄이기 위해 사출성형 CAE(Computer Aided Engineering)을 적용하였다. 하지만 CAE를 통해 성형 조건을 예측하여 시행착오를 줄일 수는 있지만, 기존방법인 일반사출의 경우 금형의 온도와 용융된 수지의 온도차이로 제품의 불량률이 증가한다.
전동식 사출기를 이용하여 사출 한 ASTM 복합시편을 이용하여 전기전도도 및 굴곡강도, 굴곡탄성률, 충격강도를 평가하였다. 전기전도도 평가는 Four point probe 장치(CMT SR-1000 version 3.1)를 사용하였으며, 굴곡강도와 굴곡탄성률은 ASTM D790에 준하여 만능시험기로 측정하였고, 충격강도는 ASTM D256에 준하여 충격강도 시험기로 측정하였다.
성능/효과
1) 사출성형 해석(CAE)을 이용하여 대략적인 점도, 소재의 유동성, 충전제의 배향을 확인함으로써, 사출 성형 후 물성을 측정하기 전 결과의 방향을 예측 할 수 있었으며, 실제 사출제품에서 역시 CAE 결과와 마찬가지로 말단 부분에서 전기적 특성이 높게 나오는 것을 확인 할 수 있었다.
2) 절연체인 플라스틱이 전기적 성질을 갖기 위해서는 전기적 특성을 갖는 filler가 필요하며, filler가 60% 이상 첨가 됐을 시 플라스틱이 전기적인 특성을 갖게 된다. 이에 recipe를 40%부터 80%까지 정하였으며, 결과 상 60% 이상부터 전기적 특성이 확연이 나타났다.
3) 전기전도도 측정 결과 흑연의 함량이 증가 할수록 비례하여 증가하는 것을 확인 할 수 있었으며, carbon black 첨가 시 흑연의 함량만 증가 시키는 것보다 효과가 크다는 것을 확인 할 수 있었다.
4) LCP는 결정성이 높아 그에 따른 강도와 강성이 높은 수지 중 하나이다. 흑연과 carbon black의 경우 유리섬유나 카본섬유와 달리 강도 및 강성을 높이는 성질 보다는 전기적인 특성을 부여하는데 큰 역할을 한다.
흑연과 carbon black의 경우 유리섬유나 카본섬유와 달리 강도 및 강성을 높이는 성질 보다는 전기적인 특성을 부여하는데 큰 역할을 한다. 물성 측정 결과를 보면 알 수 있듯이 brittle한 성질을 갖고 있는 흑연과 carbon black의 함량이 증가함에 따라 높은 강도와 강성을 지니고 있는 순수 플라스틱의 성질을 잃게 되고 복합소재 자체에서 함량이 더 큰 filler의 성질을 갖게 되어 강도와 강성이 떨어지는 결과를 볼 수 있었다.
일반 적으로 사출성형을 했을 시 시편의 말단 부분에 filler가 몰리는 현상을 확인 할 수 있으며, 해석 결과에서도 끝 부분에 filler가 몰려 있는 것을 확인 할 수 있었다. 실제 전기전도도 측정 시에 말단 부분에서 값이 다른 부분 보다 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 그림 4는 섬유 배향에 대한 형상을 나타낸 것이다.
2) 절연체인 플라스틱이 전기적 성질을 갖기 위해서는 전기적 특성을 갖는 filler가 필요하며, filler가 60% 이상 첨가 됐을 시 플라스틱이 전기적인 특성을 갖게 된다. 이에 recipe를 40%부터 80%까지 정하였으며, 결과 상 60% 이상부터 전기적 특성이 확연이 나타났다.
충전제의 배향성이나 분산성은 분리판의 전기전도도 및 기계적 강도 등에 영향을 미칠 수 있는 요인으로 고분자 수지에 충전제가 얼마나 잘 분산이 되느냐에 따라 성능의 차이가 날 수 있다. 일반 적으로 사출성형을 했을 시 시편의 말단 부분에 filler가 몰리는 현상을 확인 할 수 있으며, 해석 결과에서도 끝 부분에 filler가 몰려 있는 것을 확인 할 수 있었다. 실제 전기전도도 측정 시에 말단 부분에서 값이 다른 부분 보다 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
복합재를 이용하여 성형한 분리판은 제작이 쉽고, 경량화가 가능하며 제조공정이 간단하여 제조시간을 줄일 수 있다. 카본 충전제(흑연, 카본 블랙, 카본 섬유) 50~80 wt%와 매트릭스 고분자가 혼합되어야 전도도가 증가하는 것을 볼 수 있으며, flake 형태의 흑연이 혼합 되었을 때 전도성 네트워크가 잘 이루어지는 것을 볼 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초기에 연구된 흑연 분리판이 갖는 단점은 무엇이 있는가?
그 중 PEMFC에서 60%에 해당하는 무게 비중과 30%에 해당하는 가격 비중을 차지하고 있는 분리판을 상용화하기 위해 많은 복합소재와 성형법이 연구되어지고 있다. 초기에 연구된 흑연 분리판의 경우 깨지기 쉽고 두께를 줄이기 어려웠으며 가공 시간이 오래 걸려 비용이 많이 소요되었고, 금속을 이용할 경우에는 밀도가 높고 가공비용이 많이 들 며 부식에 약한 단점이 있었다[1].
연료전지가 내연 기관에 비해 갖는 장점은 무엇이 있는가?
수소를 에너지로 전환하기 위해서 가장 효율적인 방법이 연료전지를 사용하는 것이므로 날로 관심이 높아지고 있는 실정이다. 기존 내연 기관에 비해 효율은 높고, 연료 사용량은 적으며 생성물로서 SOX, NOX와 같은 환경 오염물질이 아닌 물만을 생성하는데 큰 장점이 있다. 20세기 말에는 거의 모든 자동차 제조업자들이 연료전지 동력 자동차를 만들어 시험했다.
사출성형공정이 갖는 장단점은 무엇이 있는가?
사출성형공정은 제품을 저비용으로 대량 생산할 수 있는 장점이 있지만 금형 제작 후에도 제품을 생산하기 까지 금형 수정이 빈번하게 요구되어 비용 및 기간이 증가하는 단점이 있어 재현성 확보가 어렵다. 따라서 시행착오를 줄이기 위해 사출성형 CAE(Computer Aided Engineering)을 적용하였다.
H.S. Kim, "A study on the characteristics of carbon composite bipolar plates for PEMFC ", MS. Dissertation, Hanbat National Univ., Daejeon, Korea, 2005
King, Julia A., Johnson, Beth A., Via, Michael D., Ciarkowski, Charles J., "Electrical conductivity of carbon-filled polypropylene-based resins", Journal of applied polymer science, Vol.112 no.1, pp. 425-433, 2009
Dhakate, S.R., Mathur, R.B., Sharma, S., Borah, M., Dhami, T.L., "Influence of Expanded Graphite Particle Size on the Properties of Composite Bipolar plates for Fuel Cell Applicaiton", Energy & fuels : an American Chemical Society journal, Vol.23 no.1, pp. 934-941, 2009
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.