fons
A les piles de combustible de membrana d'intercanvi de protons, a causa de les dures condicions internes, les plaques bipolars metàl·liques són fàcils de corroir i deteriorar el seu rendiment. Per tant, és necessari preparar recobriments funcionals a les seves superfícies per complir els requisits de rendiment i durabilitat. El recobriment sol requerir una bona conductivitat elèctrica, una excel·lent resistència a la corrosió, una certa hidrofílicitat i hidrofobicitat, una bona força d'unió i un baix cost. En les etapes del desenvolupament de les piles de combustible de plaques bipolars metàl·liques i l'aplicació del mercat a petita escala, els recobriments de metalls nobles s'utilitzen àmpliament en la modificació de superfícies de plaques bipolars metàl·liques a causa de la seva baixa dificultat de preparació, rendiment estable i alta tolerància a les condicions de funcionament de la cel·la de combustible. Tanmateix, a mesura que la indústria de les piles de combustible avança gradualment cap a la industrialització i la comercialització, l'elevat cost dels recobriments de metalls preciosos ha sorgit gradualment. Per tant, molts investigadors han començat a explorar i provar altres sistemes materials. Entre ells, el recobriment a base de carboni és un dels materials que de manera previsible es poden utilitzar per substituir els recobriments de metalls preciosos per a la modificació de superfícies de plaques bipolars metàl·liques.
Estructura recoberta de carboni
El carboni té molts al·lòtrops de diferents dimensions, com ara fullerè, nanotubs de carboni, nanofibres de carboni, làmines de grafè, diamant, etc. Els quatre electrons de valència del carboni tenen tres característiques orbitals híbrides d'electrons: sp, sp2 i sp3, de manera que cadascun té molt diferents propietats. Normalment, el grafit es compon de carboni hibridat sp2. La seva capa més externa té tres electrons a l'òrbita triangular sp2 per formar un enllaç σ, i el quart electró de l'òrbita Pπ forma un enllaç π perpendicular al pla σ. Per tant, el grafit té diverses propietats. Estructura lamel·lar anisòtropa. Aquesta estructura li confereix una excel·lent conductivitat elèctrica, però també resulta en una baixa resistència mecànica; el diamant té una estructura híbrida sp3 i els quatre electrons de valència de l'àtom de carboni s'assignen a l'orbital sp3 orientat al tetraedre, formant una formació amb àtoms adjacents. Enllaç σ fort, que li confereix una alta resistivitat, inercia química i súper duresa. Entre el grafit i el diamant, hi ha una substància composta d'estructures híbrides sp2 i sp3: carboni amorf (aC).
L'AC, que existeix principalment en forma d'hibridació sp3, té propietats semblants al diamant, per la qual cosa s'anomena carboni amorf semblant al diamant [1]. aC compost per un gran nombre d'estructures híbrides sp2 s'anomena carboni amorf semblant al grafit. L'AC es pot preparar mitjançant diferents processos, i l'AC preparat també és divers. Al llarg dels anys, molts investigadors han dut a terme investigacions exhaustives i en profunditat sobre la preparació i l'optimització del rendiment d'aC, la qual cosa ha promogut el ràpid desenvolupament i l'èxit d'aquest material en maquinària, semiconductors, dispositius mèdics i altres camps d'aplicació.
Per a les aplicacions de plaques bipolars metàl·liques, el recobriment superficial no només ha de tenir una bona conductivitat per reduir la resistència de contacte, sinó que també ha de tenir resistència a la corrosió electroquímica per inhibir la precipitació d'ions metàl·lics en el dur entorn de la pila de combustible. Per tant, les propietats físiques i químiques úniques d'aC són molt coherents amb els requisits d'aplicació dels recobriments de plaques bipolars metàl·liques. La composició microestructural d'aC es pot ajustar mitjançant diferents processos de preparació i condicions de paràmetres, canviant així la seva duresa, inercia química, conductivitat i altres propietats per satisfer els requisits tècnics de les plaques bipolars metàl·liques.
Preparació
Gràcies al ràpid desenvolupament de la tecnologia del buit, ara hi ha diversos mètodes de preparació per aC. Diversos mètodes de preparació s'han integrat i après els uns dels altres per desenvolupar branques tècniques amb diferents característiques. Els més habituals i típics són els següents:
La pulverització de magnetrons és un mètode de recobriment de PVD que utilitza un camp magnètic per millorar la taxa d'ionització del gas de pulverització per augmentar el rendiment de la pulverització. Ha passat per moltes optimitzacions i ha derivat una sèrie de equilibrats, desequilibrats, AC, pols, etc. Branca tècnica, s'ha utilitzat àmpliament en el recobriment de plaques bipolars metàl·liques en els últims anys. La capa de pel·lícula preparada per aquest mètode sol tenir una bona densitat i planitud, i pot mantenir el substrat a una temperatura relativament baixa durant el procés de recobriment, cosa que no només millora l'eficiència de producció, sinó que també redueix l'impacte de la calor generada pel substrat a la pel·lícula. capa. Efectes adversos a l'organització.
La deposició de vapor químic millorada per plasma (PECVD) és una tecnologia de deposició de vapor que introdueix plasma a baixa temperatura al sistema CVD. Com que la presència de plasma millora l'activitat química de les substàncies que reaccionen, reduint així la temperatura de formació de pel·lícula i augmentant la velocitat de reacció. Che et al. va preparar una pel·lícula de carboni amorf que conté hidrogen que es pot aplicar a plaques bipolars mitjançant PECVD. La velocitat de deposició pot ser de gairebé 40 nm/min alhora que garanteix el rendiment, garantint una alta eficiència de preparació.
El revestiment d'ions es divideix principalment en dues categories: el revestiment d'ions per evaporació i el revestiment d'ions per pulverització. És una tecnologia que ionitza els materials de recobriment i els diposita a la superfície del substrat. El bombardeig d'ions d'alta energia no només pot formar una capa de pseudo-difusió a la interfície pel·lícula/substrat, millorant la força d'unió, sinó que també genera defectes d'alta densitat a la superfície del substrat, augmentant molt la densitat de nucleació i augmentant la velocitat de formació de pel·lícula.
Tecnologia de recobriment de carboni de placa bipolar
AC ja ha fet un progrés relativament madur en la recerca en l'aplicació de recobriments de plaques bipolars metàl·liques. Yu et al. preparat aC en acer inoxidable 316L mitjançant un revestiment d'ions de polarització de pols. A causa de l'existència d'un gran nombre de clústers sp2, es proporciona el camí de migració d'electrons, que redueix significativament la resistència de contacte de la matriu. Tanmateix, a causa de l'acumulació d'estrès intern a la pel·lícula i la influència de l'estrès tèrmic durant el procés de preparació, les membranes d'AC preparades simplement a la superfície de les plaques bipolars metàl·liques són propenses a trencar-se i caure, cosa que dificulta complir els requisits d'alta durabilitat. en aplicacions pràctiques. Per tant, moltes persones han fet investigacions enfocades a reduir l'estrès dins de la membrana i millorar la força d'unió de la base de la membrana.
Preparar una capa de transició metàl·lica i dopar àtoms metàl·lics per millorar la força d'enllaç és una de les maneres més òbvies. La introducció d'àtoms metàl·lics reduirà l'estrès, la duresa i el mòdul de Young dins de la pel·lícula. Alguns investigadors van preparar una capa de transició W a la superfície del substrat abans de preparar la pel·lícula de carboni i van comparar la pel·lícula de carboni que contenia la capa W amb la mostra de pel·lícula de carboni pur. Els resultats mostren que la mostra de pel·lícula de carboni amb capa de transició W té una millor força d'unió
Resultats de la prova de nano-scratch de la pel·lícula aC
A causa de la microestructura especial de aC, no només els enllaços sp2 i sp3 poden coexistir en el sistema de pel·lícula de carboni, sinó que també permeten que es dopen altres àtoms d'elements. En particular, dopar diferents tipus i concentracions d'àtoms metàl·lics ajudarà significativament a controlar el contingut de diferents enllaços híbrids a la pel·lícula de carboni. Els metalls dopats poden existir en forma de carburs, cúmuls metàl·lics i òxids metàl·lics. Diferents formes d'existència També dóna a la pel·lícula de carboni diferents actuacions. Per exemple, Li et al. va utilitzar la tecnologia de polverització de magnetrons equilibrats de CC per preparar pel·lícules d'AC amb diferents quantitats dopades amb Ti sobre substrats d'acer inoxidable 316L. El dopatge de Ti millora significativament l'estructura de la pel·lícula aC, evita el creixement de cristalls columnars a gran escala i augmenta la densitat de la capa de pel·lícula. La introducció d'àtoms de Ti afavoreix la hibridació sp2 de la pel·lícula aC i augmentar la quantitat de dopatge de Ti promourà la formació de carburs, cosa que millorarà significativament les propietats conductores de la pel·lícula.
Secció transversal de la pel·lícula aC després del dopatge Ti
En general, la presència de metalls dopats a les pel·lícules aC és diferent, principalment a causa de la influència de la quantitat de dopatge metàl·lic. Zhang va utilitzar la tecnologia de polverització de magnetrons sense equilibri de camp tancat per preparar pel·lícules aC amb diferents quantitats de dopatge d'Ag i Cr a la superfície 316L. Atès que la presència de la fase de metall tou Ag augmenta el grau de difusió dels àtoms dipositats, a mesura que augmenta la concentració d'incorporació d'Ag, la distribució de la morfologia superficial de la pel·lícula de carboni es torna gradualment uniforme i Ag creix gradualment en forma d'agregació de clúster. Quan el Cr es dopa i arriba a una certa concentració, els nanocristalls de carbur de Cr precipitaran a la pel·lícula, provocant una contracció de mida a la zona propera per aconseguir l'efecte de promoure la densitat de la pel·lícula. No només això, el codopatge d'Ag i Cr pot millorar significativament l'ID/IG de Raman, la qual cosa no només augmenta la relació sp2 a la pel·lícula, sinó que també fa que la configuració de l'enllaç sp2 sigui més compacta.
Morfologia de la pel·lícula aC sota diferents concentracions de dopatge d'Ag i Cr
Tanmateix, això no vol dir que com més gran sigui la concentració d'elements dopants, millor serà el rendiment global de la pel·lícula. Tot i que el dopatge d'Ag d'alta concentració augmentarà el camí de transmissió d'electrons a la capa de pel·lícula, els cúmuls d'Ag de gran mida incrustats es convertiran en una zona de corrosió preferent, proporcionant un camí perquè l'electròlit s'escampi a la capa de pel·lícula. I a causa de la dissolució dels nanoclusters Ag i la generació d'òxid de Cr, l'ICR creixerà després de la polarització potenciostàtica.
L'ICR canvia després de la prova de resistència a la corrosió
Resumir
Hi ha molts processos per millorar el rendiment de les plaques bipolars metàl·liques ajustant l'estructura dels recobriments de carboni amorf, i tothom està treballant dur per desenvolupar-les i provar-les en múltiples direccions. No obstant això, com millorar la vida de les plaques bipolars alhora que es redueixen els costos sempre ha estat el problema central per a aplicacions comercials a gran escala. Ehisen també ha dut a terme moltes investigacions i verificacions en els aspectes anteriors i disposa d'un sistema d'avaluació de plaques bipolars complet. Mitjançant una comunicació i una cooperació en profunditat amb els proveïdors, Ehisen desenvolupa components de plaques bipolars metàl·liques d'alt rendiment. Actualment, les últimes plaques bipolars metàl·liques recobertes de carboni aplicades per Ehisen han superat proves de rendiment exhaustives i proves estrictes de durabilitat en línia, i són suficients per suportar una vida útil de la pila de més de 20,000 hores. L'aplicació d'una nova generació de plaques bipolars metàl·liques recobertes de carboni no només millora el rendiment de la pila sobre la base original, sinó que també redueix molt el cost de la pila.
productes relacionats a ehisen
Feu clic al nom del producte per obtenir més informació sobre els productes!