fondo
En las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, debido a las duras condiciones internas, las placas bipolares de metal se corroen fácilmente y deterioran su rendimiento. Por lo tanto, es necesario preparar recubrimientos funcionales en sus superficies para cumplir con los requisitos de rendimiento y durabilidad. Generalmente se requiere que el recubrimiento tenga buena conductividad eléctrica, excelente resistencia a la corrosión, cierta hidrofilicidad e hidrofobicidad, buena fuerza de unión y bajo costo. En las etapas de desarrollo de pilas de combustible de placas bipolares de metal y aplicación en el mercado a pequeña escala, los recubrimientos de metales nobles se utilizan ampliamente en la modificación de la superficie de placas bipolares de metal debido a su baja dificultad de preparación, rendimiento estable y alta tolerancia a las condiciones de funcionamiento de las pilas de combustible. Sin embargo, a medida que la industria de las pilas de combustible avanza gradualmente hacia la industrialización y la comercialización, el alto costo de los recubrimientos de metales preciosos ha ido surgiendo gradualmente. Por ello, muchos investigadores han comenzado a explorar y probar otros sistemas materiales. Entre ellos, el recubrimiento a base de carbono es uno de los materiales que, como era de esperar, se puede utilizar para reemplazar los recubrimientos de metales preciosos para la modificación de la superficie de placas bipolares de metal.
Estructura recubierta de carbono
El carbono tiene muchos alótropos con diferentes dimensiones, como fullereno, nanotubos de carbono, nanofibras de carbono, láminas de grafeno, diamante, etc. Los cuatro electrones de valencia del carbono tienen tres características orbitales híbridas electrónicas: sp, sp2 y sp3, por lo que cada uno tiene características muy diferentes. propiedades. Normalmente, el grafito está compuesto de carbono con hibridación sp2. Su capa más externa tiene tres electrones en la órbita triangular sp2 para formar un enlace σ, y el cuarto electrón en la órbita Pπ forma un enlace π perpendicular al plano σ. Por tanto, el grafito tiene varias propiedades. Estructura laminar anisotrópica. Esta estructura le confiere una excelente conductividad eléctrica, pero también da como resultado una baja resistencia mecánica; El diamante tiene una estructura híbrida sp3 y los cuatro electrones de valencia del átomo de carbono están asignados al orbital sp3 orientado al tetraedro, formando una formación con átomos adyacentes. Fuerte enlace σ, que le confiere alta resistividad, inercia química y súper dureza. Entre el grafito y el diamante hay una sustancia compuesta de estructuras híbridas sp2 y sp3: el carbono amorfo (aC).
El AC, que existe principalmente en forma de hibridación sp3, tiene propiedades similares al diamante, por lo que se le llama carbono amorfo similar al diamante [1]. El C compuesto por una gran cantidad de estructuras híbridas sp2 se denomina carbono amorfo similar al grafito. El CA se puede preparar mediante diferentes procesos, y el CA preparado también es diverso. A lo largo de los años, muchos investigadores han llevado a cabo investigaciones extensas y profundas sobre la preparación y optimización del rendimiento de la CA, lo que ha promovido el rápido desarrollo y el éxito de este material en maquinaria, semiconductores, dispositivos médicos y otros campos de aplicaciones.
Para aplicaciones de placas bipolares de metal, el revestimiento de la superficie no solo debe tener buena conductividad para reducir la resistencia de contacto, sino también resistencia a la corrosión electroquímica para inhibir la precipitación de iones metálicos en el duro entorno de la pila de combustible. Por lo tanto, las propiedades físicas y químicas únicas del aire acondicionado son muy consistentes con los requisitos de aplicación de los recubrimientos de placas bipolares de metal. La composición microestructural del ca se puede ajustar mediante diferentes procesos de preparación y condiciones de parámetros, cambiando así su dureza, inercia química, conductividad y otras propiedades para cumplir con los requisitos técnicos de las placas bipolares de metal.
Preparación
Gracias al rápido desarrollo de la tecnología del vacío, hoy en día existen varios métodos de preparación de aire acondicionado. Se han integrado y aprendido unos de otros diversos métodos de preparación para desarrollar ramas técnicas con diferentes características. Los más comunes y típicos son los siguientes:
La pulverización catódica con magnetrón es un método de recubrimiento PVD que utiliza un campo magnético para mejorar la tasa de ionización del gas de pulverización catódica para aumentar el rendimiento de la pulverización catódica. Ha pasado por muchas optimizaciones y ha derivado una serie de balanceados, desequilibrados, CA, pulsos, etc. En la rama técnica, se ha utilizado ampliamente en el recubrimiento de placas bipolares de metal en los últimos años. La capa de película preparada mediante este método suele tener buena densidad y planitud, y puede mantener el sustrato a una temperatura relativamente baja durante el proceso de recubrimiento, lo que no sólo mejora la eficiencia de producción, sino que también reduce el impacto del calor generado por el sustrato sobre la película. capa. Efectos adversos en la organización.
La deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD) es una tecnología de deposición de vapor que introduce plasma a baja temperatura en el sistema CVD. Porque la presencia de plasma mejora la actividad química de las sustancias que reaccionan, reduciendo así la temperatura de formación de película y aumentando la velocidad de reacción. Che et al. preparó una película de carbono amorfo que contiene hidrógeno que se puede aplicar a placas bipolares a través de PECVD. La velocidad de deposición puede ser de casi 40 nm/min al tiempo que garantiza el rendimiento y garantiza una alta eficiencia de preparación.
El revestimiento iónico se divide principalmente en dos categorías: revestimiento iónico por evaporación y revestimiento iónico por pulverización catódica. Es una tecnología que ioniza los materiales de recubrimiento y los deposita en la superficie del sustrato. El bombardeo de iones de alta energía no sólo puede formar una capa de pseudodifusión en la interfaz película/sustrato, mejorando la fuerza de unión, sino que también genera defectos de alta densidad en la superficie del sustrato, aumentando considerablemente la densidad de nucleación y aumentando la velocidad de formación de película.
Tecnología de recubrimiento de carbono de placa bipolar
AC ya ha logrado avances relativamente maduros en la investigación en la aplicación de recubrimientos de placas bipolares de metal. Yu et al. CA preparada en acero inoxidable 316L mediante revestimiento de iones de polarización de pulso. Debido a la existencia de una gran cantidad de grupos sp2, se proporciona una ruta de migración de electrones, lo que reduce significativamente la resistencia de contacto de la matriz. Sin embargo, debido a la acumulación de tensión interna en la película y la influencia de la tensión térmica durante el proceso de preparación, las membranas de CA simplemente preparadas en la superficie de placas bipolares de metal son propensas a agrietarse y caerse, lo que dificulta cumplir con los requisitos de alta durabilidad. en aplicaciones prácticas. Por lo tanto, muchas personas han realizado investigaciones centradas en reducir la tensión dentro de la membrana y mejorar la fuerza de unión de la base de la membrana.
Una de las formas más obvias es preparar una capa de transición metálica y dopar átomos metálicos para mejorar la fuerza de unión. La introducción de átomos metálicos reducirá la tensión, la dureza y el módulo de Young dentro de la película. Algunos investigadores prepararon una capa de transición W en la superficie del sustrato antes de preparar la película de carbono y compararon la película de carbono que contenía la capa W con la muestra de película de carbono puro. Los resultados muestran que la muestra de película de carbono con capa de transición W tiene mejor fuerza de unión
Resultados de la prueba de nanoarañazos de una película de CA
Debido a la microestructura especial del aC, no sólo los enlaces sp2 y sp3 pueden coexistir en el sistema de película de carbono, sino que también permiten dopar otros átomos de elementos. En particular, dopar diferentes tipos y concentraciones de átomos metálicos ayudará significativamente a controlar el contenido de diferentes enlaces híbridos en la película de carbono. Los metales dopados pueden existir en forma de carburos, grupos metálicos y óxidos metálicos. Diferentes formas de existencia También confiere a la película de carbono diferentes prestaciones. Por ejemplo, Li et al. utilizaron tecnología de pulverización catódica con magnetrón equilibrado de CC para preparar películas de CA con diferentes cantidades dopadas con Ti sobre sustratos de acero inoxidable 316L. El dopaje con Ti mejora significativamente la estructura de la película de CA, evita el crecimiento de cristales columnares a gran escala y aumenta la densidad de la capa de la película. La introducción de átomos de Ti promueve la hibridación sp2 de la película de CA y el aumento de la cantidad de dopaje de Ti promoverá la formación de carburos, lo que mejorará significativamente las propiedades conductoras de la película.
Sección transversal de una película de CA después del dopaje con Ti
Generalmente, la presencia de metales dopados en películas de CA es diferente, principalmente debido a la influencia de la cantidad de metal dopado. Zhang utilizó tecnología de pulverización catódica con magnetrón en desequilibrio de campo cerrado para preparar películas de CA con diferentes cantidades de dopaje de Ag y Cr en la superficie de 316L. Dado que la presencia de Ag en la fase de metal blando aumenta el grado de difusión de los átomos depositados, a medida que aumenta la concentración de incorporación de Ag, la distribución de la morfología de la superficie de la película de carbono se vuelve gradualmente uniforme y Ag crece gradualmente en forma de agregación de grupos. Cuando el Cr está dopado y alcanza una cierta concentración, los nanocristales de carburo de Cr precipitarán en la película, provocando una contracción del tamaño en el área cercana para lograr el efecto de promover la densidad de la película. No solo eso, el co-dopaje de Ag y Cr puede mejorar significativamente el ID/IG de Raman, lo que no solo aumenta la relación sp2 en la película, sino que también hace que la configuración del enlace sp2 sea más compacta.
Morfología de una película de CA bajo diferentes concentraciones de dopaje de Ag y Cr.
Sin embargo, esto no significa que cuanto mayor sea la concentración de elementos dopantes, mejor será el rendimiento general de la película. Aunque el dopaje con Ag de alta concentración aumentará la ruta de transmisión de electrones en la capa de película, los grupos de Ag de gran tamaño incrustados se convertirán en una zona de corrosión preferencial, proporcionando una ruta para que el electrolito se propague hacia la capa de película. Y debido a la disolución de los nanoclusters de Ag y la generación de óxido de Cr, la ICR crecerá después de la polarización potenciostática.
Cambios en ICR después de la prueba de resistencia a la corrosión
Resumir
Existen muchos procesos para mejorar el rendimiento de las placas bipolares de metal ajustando la estructura de los recubrimientos de carbono amorfo, y todos están trabajando arduamente para desarrollarlos y probarlos en múltiples direcciones. Sin embargo, cómo mejorar la vida útil de las placas bipolares y al mismo tiempo reducir los costos siempre ha sido el tema central para las aplicaciones comerciales a gran escala. Ehisen también ha realizado muchas investigaciones y verificaciones en los aspectos anteriores y tiene un sistema completo de evaluación de placas bipolares. A través de una profunda comunicación y cooperación con los proveedores, Ehisen desarrolla componentes de placas bipolares metálicas de alto rendimiento. Actualmente, las últimas placas bipolares metálicas recubiertas de carbono aplicadas por Ehisen han superado exhaustivas pruebas de rendimiento y estrictas pruebas de durabilidad en línea, y son suficientes para soportar una vida operativa de pila de más de 20000 horas. La aplicación de una nueva generación de placas bipolares metálicas recubiertas de carbono no sólo mejora el rendimiento de la pila sobre la base original, sino que también reduce en gran medida el coste de la pila.
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