ozadje
V gorivnih celicah z membrano za izmenjavo protonov lahko zaradi težkih notranjih pogojev kovinske bipolarne plošče zlahka zarjavijo in poslabšajo svoje delovanje. Zato je treba na njihovih površinah pripraviti funkcionalne premaze, ki ustrezajo zahtevam glede učinkovitosti in trajnosti. Običajno se zahteva, da ima premaz dobro električno prevodnost, odlično odpornost proti koroziji, določeno hidrofilnost in hidrofobnost, dobro trdnost lepljenja in nizke stroške. Na stopnjah razvoja gorivnih celic iz kovinskih bipolarnih plošč in uporabe na trgu v majhnem obsegu se prevleke iz plemenitih kovin pogosto uporabljajo pri površinski modifikaciji kovinskih bipolarnih plošč zaradi njihove majhne težave pri pripravi, stabilnega delovanja in visoke tolerance na pogoje delovanja gorivnih celic. Ker pa se industrija gorivnih celic postopoma premika proti industrializaciji in trženju, so se postopoma pojavili visoki stroški prevlek iz plemenitih kovin. Zato so številni raziskovalci začeli raziskovati in preizkušati druge materialne sisteme. Med njimi je prevleka na osnovi ogljika eden od materialov, ki ga je mogoče predvidljivo uporabiti za zamenjavo prevlek iz plemenitih kovin za modifikacijo površine kovinskih bipolarnih plošč.
Karbonsko prevlečena struktura
Ogljik ima veliko alotropov z različnimi dimenzijami, kot so fuleren, ogljikove nanocevke, ogljikova nanovlakna, grafenske plošče, diamant itd. Štirje valenčni elektroni ogljika imajo tri elektronske hibridne orbitalne značilnosti: sp, sp2 in sp3, zato ima vsak zelo različne lastnosti. Običajno je grafit sestavljen iz sp2 hibridiziranega ogljika. Njegova najbolj zunanja plast ima tri elektrone v trikotni orbiti sp2, ki tvorijo vez σ, četrti elektron v orbiti Pπ pa tvori vez π, pravokotno na ravnino σ. Zato ima grafit različne lastnosti. Anizotropna lamelna struktura. Ta struktura mu daje odlično električno prevodnost, vendar ima tudi nizko mehansko trdnost; diamant ima sp3 hibridno strukturo, štirje valenčni elektroni ogljikovega atoma pa so dodeljeni tetraedronsko orientirani sp3 orbitali in tvorijo tvorbo s sosednjimi atomi. Močna σ vez, ki mu daje visoko upornost, kemično inertnost in super trdoto. Med grafitom in diamantom se nahaja snov, sestavljena iz hibridnih struktur sp2 in sp3 – amorfni ogljik (aC).
AC, ki obstaja predvsem v obliki sp3 hibridizacije, ima lastnosti, podobne diamantu, zato ga imenujemo diamantu podoben amorfni ogljik [1]. aC, sestavljen iz velikega števila sp2 hibridnih struktur, se imenuje grafitu podoben amorfni ogljik. aC je mogoče pripraviti z različnimi postopki in tudi pripravljeni aC je raznolik. V preteklih letih so številni raziskovalci izvedli obsežne in poglobljene raziskave o pripravi in optimizaciji delovanja AC, kar je spodbudilo hiter razvoj in uspeh tega materiala v strojih, polprevodnikih, medicinskih napravah in na drugih področjih uporabe.
Pri uporabi kovinske bipolarne plošče površinski premaz ne sme imeti le dobre prevodnosti za zmanjšanje kontaktne odpornosti, ampak mora imeti tudi odpornost proti elektrokemični koroziji, da zavira obarjanje kovinskih ionov v težkem okolju gorivnih celic. Zato so edinstvene fizikalne in kemijske lastnosti aC zelo skladne z zahtevami uporabe kovinskih bipolarnih prevlek. Mikrostrukturno sestavo aC je mogoče prilagoditi z različnimi postopki priprave in pogoji parametrov, s čimer se spremeni njegova trdota, kemična inertnost, prevodnost in druge lastnosti, da ustrezajo tehničnim zahtevam kovinskih bipolarnih plošč.
Priprava
Zahvaljujoč hitremu razvoju vakuumske tehnologije zdaj obstajajo različne metode priprave za aC. Različne metode priprave so bile integrirane in učene druga od druge za razvoj tehničnih panog z različnimi lastnostmi. Najpogostejši in tipični so naslednji:
Magnetronsko razprševanje je metoda nanosa PVD, ki uporablja magnetno polje za povečanje stopnje ionizacije plina za razprševanje in tako poveča izkoristek razprševanja. Prestal je številne optimizacije in izpeljal vrsto uravnoteženih, neuravnoteženih, AC, impulznih itd. V tehnični veji se je v zadnjih letih pogosto uporabljal pri prevleki kovinskih bipolarnih plošč. Filmska plast, pripravljena s to metodo, ima običajno dobro gostoto in ravnost ter lahko vzdržuje substrat pri razmeroma nizki temperaturi med postopkom premazovanja, kar ne samo izboljša proizvodno učinkovitost, ampak tudi zmanjša vpliv toplote, ki jo substrat ustvari na film. plast. Škodljivi učinki na organizacijo.
Plazma izboljšano kemično nanašanje s paro (PECVD) je tehnologija nanašanja s paro, ki v sistem CVD uvaja nizkotemperaturno plazmo. Ker prisotnost plazme poveča kemično aktivnost reagirajočih snovi, s čimer se zmanjša temperatura tvorbe filma in poveča hitrost reakcije. Che et al. pripravil vodik vsebujoč amorfni ogljikov film, ki ga je mogoče nanesti na bipolarne plošče s pomočjo PECVD. Hitrost nanašanja je lahko skoraj 40 nm/min, hkrati pa zagotavlja zmogljivost, kar zagotavlja visoko učinkovitost priprave.
Ioniranje je v glavnem razdeljeno na dve kategoriji: ionsko prevleko z izhlapevanjem in ionsko prevleko z brizganjem. Gre za tehnologijo, ki ionizira premazne materiale in jih nanese na površino podlage. Bombardiranje z visokoenergijskimi ioni lahko ne le tvori psevdodifuzijsko plast na vmesniku film/podlaga, kar izboljša vezno trdnost, ampak tudi povzroči napake z visoko gostoto na površini podlage, kar močno poveča gostoto nukleacije in poveča hitrost tvorjenja filma.
Tehnologija ogljikovega premaza bipolarne plošče
AC je že dosegel razmeroma zrel raziskovalni napredek pri uporabi kovinskih bipolarnih prevlek. Yu et al. pripravljen izmenični tok na nerjavnem jeklu 316L z ionsko prevleko s prednapetostjo impulza. Zaradi obstoja velikega števila sp2 grozdov je zagotovljena pot migracije elektronov, kar bistveno zmanjša kontaktni upor matrike. Vendar pa so zaradi kopičenja notranjega stresa v filmu in vpliva toplotnega stresa med postopkom priprave aC membrane, preprosto pripravljene na površini kovinskih bipolarnih plošč, nagnjene k pokanju in odpadanju, zaradi česar je težko izpolniti visoke zahteve glede vzdržljivosti. v praktičnih aplikacijah. Zato je veliko ljudi opravilo usmerjene raziskave o zmanjševanju napetosti znotraj membrane in izboljšanju vezne trdnosti osnove membrane.
Priprava kovinske prehodne plasti in dopiranje kovinskih atomov za izboljšanje vezne sile je eden bolj očitnih načinov. Uvedba kovinskih atomov bo zmanjšala napetost, trdoto in Youngov modul v filmu. Nekateri raziskovalci so pred pripravo ogljikovega filma pripravili prehodno plast W na površini substrata in primerjali ogljikov film, ki je vseboval plast W, z vzorcem čistega ogljikovega filma. Rezultati kažejo, da ima vzorec ogljikovega filma s prehodno plastjo W boljšo trdnost lepljenja
Rezultati testa nano prask aC filma
Zaradi posebne mikrostrukture aC lahko v sistemu ogljikovega filma soobstajajo ne le vezi sp2 in sp3, temveč omogočajo tudi dopiranje drugih atomov elementov. Zlasti dopiranje različnih vrst in koncentracij kovinskih atomov bo bistveno pomagalo nadzorovati vsebnost različnih hibridnih vezi v ogljikovem filmu. Dopirane kovine lahko obstajajo v obliki karbidov, kovinskih grozdov in kovinskih oksidov. Različne oblike obstoja Karbonski foliji daje tudi različne zmogljivosti. Na primer, Li et al. uporabil tehnologijo DC uravnoteženega magnetronskega razprševanja za pripravo filmov izmeničnega toka z različnimi količinami dopiranega Ti na podlagah iz nerjavečega jekla 316L. Dopiranje tita znatno izboljša strukturo filma aC, prepreči rast velikih stebrastih kristalov in poveča gostoto plasti filma. Uvedba atomov Ti spodbuja sp2 hibridizacijo filma aC, povečanje količine dopinga Ti pa bo spodbudilo tvorbo karbidov, kar bo znatno izboljšalo prevodne lastnosti filma.
Prerez aC filma po dopiranju Ti
Na splošno je prisotnost dopiranih kovin v aC filmih različna, predvsem zaradi vpliva količine kovinskega dopinga. Zhang je uporabil tehnologijo neravnovesnega magnetronskega razprševanja z zaprtim poljem za pripravo filmov iz aC z različnimi količinami dopinga Ag in Cr na površini 316L. Ker prisotnost mehke kovinske faze Ag poveča stopnjo difuzije odloženih atomov, ko se koncentracija vključitve Ag poveča, porazdelitev površinske morfologije ogljikovega filma postopoma postane enakomerna in Ag postopoma raste v obliki agregacije grozdov. Ko je Cr dopiran in doseže določeno koncentracijo, se bodo nanokristali Cr karbida oborili v filmu, kar bo povzročilo krčenje velikosti v bližnjem območju, da se doseže učinek spodbujanja gostote filma. Ne samo to, sodopiranje Ag in Cr lahko znatno izboljša ID/IG Ramana, kar ne samo poveča razmerje sp2 v filmu, ampak tudi naredi konfiguracijo vezi sp2 bolj kompaktno.
Morfologija filma aC pri različnih koncentracijah dopinga Ag in Cr
Vendar to ne pomeni, da višja kot je koncentracija dopinških elementov, boljša je splošna učinkovitost filma. Čeprav bo visokokoncentrirano dopiranje Ag povečalo pot prenosa elektronov v filmski plasti, bodo vgrajeni veliki grozdi Ag postali prednostna korozijska cona, ki bo zagotovila pot za širjenje elektrolita v filmsko plast. In zaradi raztapljanja nanoklasterjev Ag in generiranja Cr oksida bo ICR po potenciostatični polarizaciji narasel.
ICR se spremeni po preskusu odpornosti proti koroziji
Povzemite
Obstaja veliko postopkov za izboljšanje delovanja kovinskih bipolarnih plošč s prilagoditvijo strukture amorfnih ogljikovih prevlek in vsi se trudijo, da bi jih razvili in preizkusili v več smereh. Kako izboljšati življenjsko dobo bipolarnih plošč in hkrati zmanjšati stroške, je bilo vedno osrednje vprašanje za obsežne komercialne aplikacije. Ehisen je izvedel tudi veliko raziskav in preverjanj v zgornjih vidikih in ima popoln sistem ocenjevanja bipolarnih plošč. S poglobljeno komunikacijo in sodelovanjem z dobavitelji Ehisen razvija visoko zmogljive kovinske bipolarne plošče. Trenutno so najnovejše kovinske bipolarne plošče s prevleko iz ogljika, ki jih je uporabil Ehisen, prestale obsežno testiranje delovanja in strogo spletno testiranje vzdržljivosti ter zadostujejo za življenjsko dobo sklada več kot 20000 ur. Uporaba nove generacije kovinskih bipolarnih plošč, prevlečenih z ogljikom, ne le izboljša zmogljivost sklada na prvotni osnovi, ampak tudi močno zniža stroške sklada.
sorodni izdelki v ehisen
Kliknite na ime izdelka, če želite izvedeti več o izdelkih!