заден план
В горивните клетки с протонна обменна мембрана, поради тежките вътрешни условия, металните биполярни пластини лесно корозират и влошават работата си. Следователно е необходимо да се подготвят функционални покрития върху техните повърхности, за да отговарят на изискванията за производителност и дълготрайност. Обикновено се изисква покритието да има добра електропроводимост, отлична устойчивост на корозия, определена хидрофилност и хидрофобност, добра якост на свързване и ниска цена. В етапите на разработване на горивни клетки от метални биполярни плочи и дребномащабно пазарно приложение покритията от благородни метали се използват широко при модификацията на повърхността на метални биполярни плочи поради тяхната ниска трудност при подготовката, стабилна производителност и висока толерантност към условията на работа на горивните клетки. Въпреки това, тъй като индустрията с горивни клетки постепенно се движи към индустриализация и пазаризация, високата цена на покритията от благородни метали постепенно се появи. Затова много изследователи са започнали да изследват и изпробват други материални системи. Сред тях покритието на базата на въглерод е един от материалите, които предвидимо могат да бъдат използвани за замяна на покрития от благородни метали за повърхностна модификация на метални биполярни плочи.
Структура с карбоново покритие
Въглеродът има много алотропи с различни размери, като фулерен, въглеродни нанотръби, въглеродни нановлакна, графенови листове, диамант и др. Четирите валентни електрона на въглерода имат три електронни хибридни орбитални характеристики: sp, sp2 и sp3, така че всеки има много различни Имоти. Обикновено графитът се състои от sp2 хибридизиран въглерод. Неговият най-външен слой има три електрона в триъгълната sp2 орбита, за да образува σ връзка, а четвъртият електрон в Pπ орбитата образува π връзка, перпендикулярна на равнината σ. Следователно графитът има различни свойства. Анизотропна ламеларна структура. Тази структура му осигурява отлична електрическа проводимост, но също така води до ниска механична якост; диамантът има sp3 хибридна структура и четирите валентни електрона на въглеродния атом са разпределени към тетраедърно ориентираната sp3 орбитала, образувайки формация със съседни атоми. Силна σ връзка, която му придава високо съпротивление, химическа инертност и супер твърдост. Между графита и диаманта има вещество, съставено от sp2 и sp3 хибридни структури - аморфен въглерод (aC).
AC, който съществува главно под формата на sp3 хибридизация, има свойства, подобни на диаманта, така че се нарича диамантено-подобен аморфен въглерод [1]. aC, съставен от голям брой sp2 хибридни структури, се нарича графитоподобен аморфен въглерод. aC може да се получи чрез различни процеси и приготвеният aC също е разнообразен. През годините много изследователи са провели обширни и задълбочени изследвания върху подготовката и оптимизирането на производителността на aC, което насърчи бързото развитие и успеха на този материал в машини, полупроводници, медицински устройства и други области на приложение.
За приложения на метални биполярни плочи, повърхностното покритие трябва не само да има добра проводимост, за да намали съпротивлението на контакт, но също така да има устойчивост на електрохимична корозия, за да инхибира утаяването на метални йони в суровата среда на горивни клетки. Следователно, уникалните физични и химични свойства на aC са много съвместими с изискванията за приложение на покрития от метални биполярни пластини. Микроструктурният състав на aC може да се регулира чрез различни процеси на подготовка и параметрични условия, като по този начин се променя неговата твърдост, химическа инертност, проводимост и други свойства, за да отговарят на техническите изисквания на металните биполярни плочи.
Подготовка
Благодарение на бързото развитие на вакуумната технология, сега има различни методи за подготовка за aC. Различни методи за подготовка са интегрирани и научени един от друг, за да се развият технически отрасли с различни характеристики. Най-често срещаните и типични са следните:
Магнетронното разпрашване е PVD метод за нанасяне на покритие, който използва магнитно поле за повишаване на скоростта на йонизация на разпръскващия газ, за да се увеличи добивът на разпръскване. Той е преминал през много оптимизации и е получил серия от балансирани, небалансирани, променлив ток, импулс и т.н. В техническия бранш, той е широко използван в покритието на метални биполярни плочи през последните години. Филмовият слой, приготвен по този метод, обикновено има добра плътност и плоскост и може да поддържа субстрата при относително ниска температура по време на процеса на нанасяне на покритие, което не само подобрява производствената ефективност, но също така намалява въздействието на топлината, генерирана от субстрата върху филма. слой. Неблагоприятни ефекти върху организацията.
Плазмено усилено химическо отлагане на пари (PECVD) е технология за отлагане на пари, която въвежда нискотемпературна плазма в CVD системата. Тъй като наличието на плазма повишава химическата активност на реагиращите вещества, като по този начин намалява температурата на образуване на филм и увеличава скоростта на реакцията. Че и др. подготвиха водород-съдържащ аморфен въглероден филм, който може да бъде нанесен върху биполярни плочи чрез PECVD. Скоростта на отлагане може да бъде близо 40 nm/min, като същевременно се гарантира производителност, осигуряваща висока ефективност на подготовката.
Йонното покритие се разделя главно на две категории: йонно покритие чрез изпаряване и йонно покритие чрез разпрашаване. Това е технология, която йонизира материалите за покритие и ги отлага върху повърхността на субстрата. Бомбардирането на високоенергийни йони може не само да образува псевдо-дифузионен слой на интерфейса филм/субстрат, подобрявайки якостта на свързване, но също така да генерира дефекти с висока плътност на повърхността на субстрата, значително увеличавайки плътността на нуклеация и увеличавайки скорост на образуване на филм.
Технология за карбоново покритие на биполярна плоча
AC вече е постигнал сравнително зрял изследователски напредък в прилагането на метални биполярни покрития на плочи. Ю и др. подготвен aC върху неръждаема стомана 316L чрез йонно покритие с импулсно отклонение. Поради наличието на голям брой sp2 клъстери се осигурява пътят на миграция на електрони, което значително намалява контактното съпротивление на матрицата. Въпреки това, поради натрупването на вътрешно напрежение във филма и влиянието на топлинния стрес по време на процеса на подготовка, aC мембраните, просто приготвени върху повърхността на метални биполярни плочи, са склонни към напукване и падане, което затруднява изпълнението на високи изисквания за издръжливост в практически приложения. Поради това много хора са направили целенасочени изследвания за намаляване на напрежението в мембраната и подобряване на здравината на свързване на основата на мембраната.
Подготовката на метален преходен слой и допиране на метални атоми за подобряване на силата на свързване е един от по-очевидните начини. Въвеждането на метални атоми ще намали напрежението, твърдостта и модула на Юнг във филма. Някои изследователи подготвиха W преходен слой върху повърхността на субстрата, преди да подготвят въглеродния филм, и сравниха въглеродния филм, съдържащ W слоя, с пробата от чист въглероден филм. Резултатите показват, че пробата от въглероден филм с W преходен слой има по-добра якост на свързване
Резултати от теста за надраскване на aC филм
Поради специалната микроструктура на aC, не само sp2 и sp3 връзките могат да съществуват съвместно в системата от въглероден филм, но също така позволяват други атоми на елемента да бъдат легирани. По-специално, допирането на различни видове и концентрации на метални атоми значително ще помогне да се контролира съдържанието на различни хибридни връзки във въглеродния филм. Допираните метали могат да съществуват под формата на карбиди, метални клъстери и метални оксиди. Различни форми на съществуване Освен това придава на въглеродния филм различни характеристики. Например, Li et al. използва DC балансирана технология за магнетронно разпрашване, за да подготви филми с променлив ток с различни количества легиран титан върху субстрати от неръждаема стомана 316L. Ti легирането значително подобрява структурата на aC филма, избягва растежа на големи колонни кристали и увеличава плътността на филмовия слой. Въвеждането на Ti атоми насърчава sp2 хибридизацията на aC филма и увеличаването на количеството Ti допинг ще насърчи образуването на карбиди, което значително ще подобри проводимите свойства на филма.
Напречно сечение на aC филм след допиране с Ti
Като цяло наличието на легирани метали в aC филми е различно, главно поради влиянието на количеството метален допинг. Zhang използва технология за неравновесно магнетронно разпръскване в затворено поле, за да подготви aC филми с различни количества Ag и Cr допинг върху повърхността 316L. Тъй като наличието на мека метална фаза Ag повишава степента на дифузия на отложените атоми, тъй като концентрацията на включване на Ag се увеличава, разпределението на повърхностната морфология на въглеродния филм постепенно става равномерно и Ag постепенно нараства под формата на клъстерна агрегация. Когато Cr е легиран и достигне определена концентрация, нанокристалите от Cr карбид ще се утаят във филма, причинявайки свиване на размера в близката област, за да се постигне ефектът на насърчаване на плътността на филма. Не само това, съвместното допиране на Ag и Cr може значително да подобри ID/IG на Raman, което не само увеличава съотношението sp2 във филма, но също така прави конфигурацията на връзката sp2 по-компактна.
Морфология на aC филм при различни допинг концентрации на Ag и Cr
Това обаче не означава, че колкото по-висока е концентрацията на допинг елементи, толкова по-добро е цялостното представяне на филма. Въпреки че допингът с висока концентрация на Ag ще увеличи пътя на предаване на електрони в слоя филм, вградените клъстери с големи размери Ag ще се превърнат в предпочитана зона на корозия, осигурявайки път за разпространение на електролита в слоя филм. И поради разтварянето на Ag нанокластери и генерирането на Cr оксид, ICR ще расте след потенциостатична поляризация.
ICR се променя след тест за устойчивост на корозия
Обобщете
Има много процеси за подобряване на производителността на метални биполярни плочи чрез коригиране на структурата на аморфни въглеродни покрития и всеки работи усилено, за да ги разработи и изпробва в различни посоки. Въпреки това, как да се подобри живота на биполярните пластини, като същевременно се намалят разходите, винаги е бил основният проблем за широкомащабни търговски приложения. Ehisen също е провел много изследвания и проверки в горните аспекти и има пълна система за оценка на биполярни плочи. Чрез задълбочена комуникация и сътрудничество с доставчици, Ehisen разработва високопроизводителни метални биполярни плочи. Понастоящем най-новите метални биполярни плочи с въглеродно покритие, прилагани от Ehisen, са преминали цялостни тестове за ефективност и стриктни онлайн тестове за издръжливост и са достатъчни, за да поддържат експлоатационен живот на стека от повече от 20,000 часа. Прилагането на ново поколение метални биполярни пластини с въглеродно покритие не само подобрява производителността на стека на оригиналната основа, но също така значително намалява цената на стека.
свързани продукти в ehisen
Кликнете върху името на продукта, за да научите повече за продуктите!