tło
W ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów, ze względu na trudne warunki wewnętrzne, metalowe płytki dwubiegunowe łatwo ulegają korozji i pogarszają się ich działanie. Dlatego też konieczne jest przygotowanie na ich powierzchni powłok funkcjonalnych spełniających wymagania użytkowe i trwałościowe. Zwykle wymaga się, aby powłoka miała dobrą przewodność elektryczną, doskonałą odporność na korozję, pewną hydrofilowość i hydrofobowość, dobrą siłę wiązania i niski koszt. Na etapach rozwoju metalowych ogniw paliwowych z płytami bipolarnymi i zastosowań rynkowych na małą skalę powłoki z metali szlachetnych są szeroko stosowane w modyfikacji powierzchni metalowych płytek bipolarnych ze względu na ich niską trudność w przygotowaniu, stabilną wydajność i wysoką tolerancję na warunki pracy ogniw paliwowych. Jednakże w miarę jak przemysł ogniw paliwowych stopniowo zmierza w kierunku industrializacji i urynkowienia, stopniowo zaczęły pojawiać się wysokie koszty powłok z metali szlachetnych. Dlatego wielu badaczy zaczęło badać i wypróbowywać inne systemy materialne. Wśród nich powłoki na bazie węgla są jednym z materiałów, które w przewidywalny sposób można zastosować w celu zastąpienia powłok z metali szlachetnych w celu modyfikacji powierzchni metalowych płyt bipolarnych.
Konstrukcja pokryta węglem
Węgiel ma wiele odmian alotropowych o różnych wymiarach, takich jak fuleren, nanorurki węglowe, nanowłókna węglowe, arkusze grafenu, diament itp. Cztery elektrony walencyjne węgla mają trzy hybrydowe charakterystyki orbitalne elektronów: sp, sp2 i sp3, więc każdy ma bardzo różne właściwości nieruchomości. Zazwyczaj grafit składa się z węgla zhybrydyzowanego sp2. Jej najbardziej zewnętrzna warstwa ma trzy elektrony na trójkątnej orbicie sp2, tworząc wiązanie σ, a czwarty elektron na orbicie Pπ tworzy wiązanie π prostopadłe do płaszczyzny σ. Dlatego grafit ma różne właściwości. Anizotropowa struktura lamelarna. Taka struktura zapewnia mu doskonałą przewodność elektryczną, ale skutkuje także niską wytrzymałością mechaniczną; diament ma strukturę hybrydową sp3, a cztery elektrony walencyjne atomu węgla są przydzielone do orbitalu sp3 zorientowanego na czworościan, tworząc formację z sąsiednimi atomami. Silne wiązanie σ, które nadaje mu wysoką rezystywność, obojętność chemiczną i super twardość. Pomiędzy grafitem a diamentem znajduje się substancja złożona ze struktur hybrydowych sp2 i sp3 – węgiel amorficzny (aC).
AC, który występuje głównie w postaci hybrydyzacji sp3, ma właściwości podobne do diamentu, dlatego nazywany jest węglem amorficznym diamentopodobnym [1]. AC złożony z dużej liczby struktur hybrydowych sp2 nazywany jest grafitopodobnym węglem amorficznym. AC można przygotować różnymi procesami, a przygotowany AC jest również różnorodny. Przez lata wielu badaczy przeprowadziło szeroko zakrojone i dogłębne badania nad przygotowaniem i optymalizacją wydajności prądu przemiennego, co przyczyniło się do szybkiego rozwoju i sukcesu tego materiału w maszynach, półprzewodnikach, urządzeniach medycznych i innych obszarach zastosowań.
W przypadku zastosowań w metalowych płytach bipolarnych powłoka powierzchniowa musi nie tylko mieć dobrą przewodność, aby zmniejszyć rezystancję styku, ale także odporność na korozję elektrochemiczną, aby hamować wytrącanie się jonów metali w trudnych warunkach ogniwa paliwowego. Dlatego unikalne właściwości fizyczne i chemiczne prądu przemiennego są bardzo zgodne z wymaganiami stosowania metalowych powłok dwubiegunowych. Skład mikrostrukturalny prądu przemiennego można regulować poprzez różne procesy przygotowania i warunki parametrów, zmieniając w ten sposób jego twardość, obojętność chemiczną, przewodność i inne właściwości, aby spełnić wymagania techniczne metalowych płyt bipolarnych.
Przygotowanie
Dzięki szybkiemu rozwojowi technologii próżniowej istnieją obecnie różne metody przygotowania AC. Zintegrowano różne metody przygotowania i uczono się od siebie nawzajem, aby opracować gałęzie techniczne o różnych cechach. Najpopularniejsze i typowe są następujące:
Napylanie magnetronowe to metoda powlekania PVD, która wykorzystuje pole magnetyczne w celu zwiększenia szybkości jonizacji gazu rozpylającego w celu zwiększenia wydajności rozpylania. Przeszedł wiele optymalizacji i wyprowadził szereg zrównoważonych, niezrównoważonych, prądu przemiennego, impulsów itp. W branży technicznej był w ostatnich latach szeroko stosowany w powlekaniu metalowych płyt bipolarnych. Warstwa folii przygotowana tą metodą charakteryzuje się zazwyczaj dobrą gęstością i płaskością oraz pozwala na utrzymanie stosunkowo niskiej temperatury podłoża podczas procesu powlekania, co nie tylko poprawia efektywność produkcji, ale także zmniejsza wpływ ciepła generowanego przez podłoże na folię warstwa. Negatywne skutki dla organizacji.
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą (PECVD) to technologia osadzania z fazy gazowej, która wprowadza plazmę niskotemperaturową do układu CVD. Ponieważ obecność plazmy zwiększa aktywność chemiczną reagujących substancji, obniżając w ten sposób temperaturę tworzenia filmu i zwiększając szybkość reakcji. Che i in. przygotowali zawierającą wodór amorficzną warstwę węgla, którą można nakładać na płytki bipolarne za pomocą PECVD. Szybkość osadzania może wynosić prawie 40 nm/min, zapewniając jednocześnie wydajność i wysoką wydajność przygotowania.
Powlekanie jonowe dzieli się głównie na dwie kategorie: powlekanie jonowe przez odparowanie i napylanie jonowe. Jest to technologia, która jonizuje materiały powłokowe i osadza je na powierzchni podłoża. Bombardowanie jonami o wysokiej energii może nie tylko utworzyć warstwę pseudodyfuzyjną na granicy folii/podłoża, poprawiając siłę wiązania, ale także generować defekty o dużej gęstości na powierzchni podłoża, znacznie zwiększając gęstość zarodkowania i zwiększając prędkość tworzenia filmu.
Technologia powlekania dwubiegunowego płytą węglową
AC poczyniło już stosunkowo dojrzały postęp badawczy w zakresie stosowania metalowych powłok bipolarnych na płyty. Yu i in. przygotowany AC na stali nierdzewnej 316L poprzez powlekanie jonowe z polaryzacją impulsową. Ze względu na istnienie dużej liczby klastrów sp2 zapewniona jest droga migracji elektronów, która znacznie zmniejsza rezystancję stykową osnowy. Jednak ze względu na kumulację naprężeń wewnętrznych w folii oraz wpływ naprężeń termicznych w procesie przygotowania, membrany AC po prostu przygotowane na powierzchni metalowych płytek bipolarnych są podatne na pękanie i odpadanie, co utrudnia spełnienie wysokich wymagań wytrzymałościowych w praktycznych zastosowaniach. Dlatego wiele osób przeprowadziło badania skupiające się na zmniejszeniu naprężeń w membranie i poprawie siły wiązania podstawy membrany.
Przygotowanie metalicznej warstwy przejściowej i domieszkowanie atomów metali w celu poprawy siły wiązania jest jednym z bardziej oczywistych sposobów. Wprowadzenie atomów metalu zmniejszy naprężenie, twardość i moduł Younga w folii. Niektórzy badacze przygotowali warstwę przejściową W na powierzchni podłoża przed przygotowaniem warstwy węgla i porównali warstwę węgla zawierającą warstwę W z próbką czystej folii węgla. Wyniki pokazują, że próbka folii węglowej z warstwą przejściową W ma lepszą siłę wiązania
Wyniki testu nano-zarysowania folii AC
Dzięki specjalnej mikrostrukturze aC w układzie warstwy węgla mogą współistnieć nie tylko wiązania sp2 i sp3, ale także umożliwiać domieszkowanie atomów innych pierwiastków. W szczególności domieszkowanie różnych typów i stężeń atomów metali znacząco pomoże kontrolować zawartość różnych wiązań hybrydowych w warstwie węgla. Metale domieszkowane mogą występować w postaci węglików, skupisk metali i tlenków metali. Różne formy istnienia Daje także filmowi węglowemu różne właściwości. Na przykład Li i in. wykorzystał technologię zrównoważonego rozpylania magnetronowego DC do przygotowania folii AC z różnymi ilościami domieszkowanego Ti na podłożach ze stali nierdzewnej 316L. Domieszkowanie Ti znacznie poprawia strukturę folii AC, pozwala uniknąć wzrostu kryształów kolumnowych na dużą skalę i zwiększa gęstość warstwy folii. Wprowadzenie atomów Ti sprzyja hybrydyzacji sp2 folii AC, a zwiększenie ilości domieszki Ti będzie sprzyjać tworzeniu się węglików, co znacząco poprawi właściwości przewodzące folii.
Przekrój poprzeczny folii AC po domieszkowaniu Ti
Ogólnie rzecz biorąc, obecność domieszkowanych metali w foliach AC jest różna, głównie ze względu na wpływ ilości domieszki metalu. Zhang wykorzystał technologię nierównowagowego rozpylania magnetronowego w zamkniętym polu do przygotowania filmów AC z różnymi ilościami domieszki Ag i Cr na powierzchni 316L. Ponieważ obecność fazy miękkiego metalu Ag zwiększa stopień dyfuzji osadzonych atomów, wraz ze wzrostem stężenia włączenia Ag rozkład morfologii powierzchni warstwy węglowej stopniowo staje się jednolity, a Ag stopniowo rośnie w postaci agregacji klastrów. Kiedy Cr zostanie domieszkowany i osiągnie określone stężenie, nanokryształy węglika Cr wytrącą się w folii, powodując skurcz wielkości w pobliskim obszarze, aby uzyskać efekt zwiększenia gęstości folii. Co więcej, wspólne domieszkowanie Ag i Cr może znacznie poprawić ID/IG Ramana, co nie tylko zwiększa stosunek sp2 w filmie, ale także sprawia, że konfiguracja wiązań sp2 jest bardziej zwarta.
Morfologia filmu AC przy różnych stężeniach domieszki Ag i Cr
Nie oznacza to jednak, że im wyższe stężenie składników domieszkujących, tym lepsze ogólne właściwości folii. Chociaż domieszkowanie Ag o wysokim stężeniu zwiększy ścieżkę transmisji elektronów w warstwie folii, osadzone w nim klastry Ag o dużych rozmiarach staną się preferowaną strefą korozji, zapewniając drogę elektrolitowi do rozprzestrzeniania się w warstwie folii. A ze względu na rozpuszczanie nanoklastrów Ag i wytwarzanie tlenku Cr, ICR będzie rósł po polaryzacji potencjostatycznej.
Zmiany ICR po badaniu odporności na korozję
Podsumować
Istnieje wiele procesów poprawiających wydajność metalowych płyt bipolarnych poprzez dostosowanie struktury amorficznych powłok węglowych i wszyscy ciężko pracują, aby je opracować i wypróbować w wielu kierunkach. Jednakże, jak poprawić żywotność płyt bipolarnych przy jednoczesnym obniżeniu kosztów, zawsze było głównym problemem w zastosowaniach komercyjnych na dużą skalę. Firma Ehisen przeprowadziła również wiele badań i weryfikacji w powyższych aspektach oraz posiada kompletny system oceny płytek bipolarnych. Dzięki dogłębnej komunikacji i współpracy z dostawcami firma Ehisen opracowuje wysokowydajne komponenty z metalowych płyt bipolarnych. Obecnie najnowsze płyty bipolarne z metalu powlekanego węglem stosowane przez firmę Ehisen przeszły kompleksowe testy wydajności i rygorystyczne testy trwałości online i wystarczą, aby zapewnić żywotność stosu przekraczającą 20000 godzin. Zastosowanie nowej generacji metalowych płyt bipolarnych powlekanych węglem nie tylko poprawia wydajność stosu w stosunku do oryginału, ale także znacznie obniża koszt stosu.
powiązane produkty w ehisen
Kliknij na nazwę produktu, aby dowiedzieć się więcej o produktach!