PEM燃料電池導電性極板射出成型製程條件 對導電性品質提升之研究

Study on the Improvement of Molding Conditions on the Conductivity Properties of Injection Molded Polar Plate for PEMFC

施銘奕(Ming-Yi Shih)

指導教授 ： 陳夏宗

中原大學/工學院/機械工程研究所/碩士(2005年)

https://doi.org/10.6840/cycu200500574

摘要

中文摘要
燃料電池是二十一世紀最重要之能源科技之一，其中以極板(bipolar plate)為重要之組成元件，一般使用材料為石墨或金屬，使得極板在燃料電池組中佔的體積比率達80％，佔整個電池組成本約為50 ~ 60％，在使用高分子材料取代研究方面，現有製程上大都以熱固性材料搭配熱壓成型為主，但因成型時間長導致生產成本高，若使用射出成型搭配熱固性材料方式生產，可有效降低生產成本，但導電性必須突破，因此本研究主要使用射出成型製作極板並進行提升導電性實驗。
本研究使用複合高分子PPS(Polyphenylene Sulfide)加上碳纖(Carbon Fiber 50%)，應用射出成型製程製作極板，將極板含導電性碳纖複合高分子流動行為，做一有系統之研究。目的在於提升碳纖交錯分佈，以獲得最佳導電性；射出成型實驗參數包括：模溫、料溫、射速、保壓壓力及射出壓縮製程研究，完成之試片使用四點探針電阻測試儀量測導電性，並利用掃描電子式顯微鏡(SEM)觀察其纖維定向分佈情形，討論其流動均勻分佈性與纖維交錯情形，以及應用3D-CAE模流分析作含纖維材料流動分析搭配實驗驗證。
研究結果顯示製程參數在模溫與料溫提高、降低射出速度有助於碳纖維均勻流動與分佈性，提高導電均勻性；保壓壓力提高，可增加碳纖交錯性，提升導電性；傳統射出與射出壓縮製程比較，射出壓縮成型可提高極板厚度方向之碳纖交錯性，獲得最佳導電性（導電性約改善10％）。應用3D-CAE模擬分析結果與實際實驗比對驗證，碳纖排列相似度達65%，可具體預測纖維流動與排列情形。本研究有效利用製程控制導電纖維離動之均勻性及交錯性進而提升極板導電度，讓燃料電池極板射出成型往應用技術更進一步。

關鍵字

雙極板 ； 導電性複合材料 ； 射出成型 ； 質子交換膜燃料電池

並列摘要

Abstract
Fuel cell technology is an important energy source for the 21st century. Among fuel cell components, the polar plates are critical. Plastics have been chosen as a candidate material. However, to achieve the polar requirements, the conductivity is key.
We investigate the complex behavior of polymer polyphenylene sulfide (PPS) containing 50% carbon fiber in injection molding. Specifically we explore the effects of the injection molding parameters upon the conductivity, measured by the four point probe. The carbon fiber dispersion and orientation seen by scanning electron microscopy (SEM) governs the electrical conductivity. We then used 3D-CAE to simulate the fiber dispersion and orientation under different molding parameters. These simulations closely matched our SEM.
We find that under high mold temperature, high melt temperature, or abated injection rate, the carbon fiber distributed uniformly and banded together, increasing conductivity; high packing pressure closely interlaced the carbon fiber, also raising conductivity. Thus, by compacting carbon fiber through the thickness, injection compression molding enhances conductivity by 10%.
Keywords : Bipolar plate; PEM fuel cell; injection molding; fiber orientation; carbon fiber; composite conductivity.

並列關鍵字

Bipolar plate ； PEM fuel cell ； injection molding ； fiber

參考文獻

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