금속분리판용 '카본코팅' 기술에 대한 간략한 설명

양성자 교환막 연료전지에서는 열악한 내부 조건으로 인해 금속 분리판이 부식되어 성능이 저하되기 쉽습니다. 따라서 성능 및 내구성 요구 사항을 충족하기 위해 표면에 기능성 코팅을 준비하는 것이 필요합니다. 코팅은 일반적으로 우수한 전기 전도성, 우수한 내식성, 특정 친수성 및 소수성, 우수한 결합 강도 및 저렴한 비용이 필요합니다. 금속 분리판 연료전지 개발 및 소규모 시장 적용 단계에서 귀금속 코팅은 준비 난이도가 낮고 성능이 안정적이며 연료전지 작동 조건에 대한 높은 내성으로 인해 금속 분리판의 표면 개질에 널리 사용됩니다. 그러나 연료전지 산업이 점차 산업화, 시장화로 나아가면서 귀금속 코팅의 고비용이 점차 대두되고 있습니다. 따라서 많은 연구자들이 다른 재료 시스템을 탐색하고 시도하기 시작했습니다. 그 중 탄소계 코팅은 금속분리판의 표면개질을 위한 귀금속 코팅을 대체할 수 있을 것으로 예상되는 소재 중 하나이다.

탄소는 풀러렌, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 시트, 다이아몬드 등과 같이 서로 다른 차원을 가진 많은 동소체를 가지고 있습니다. 탄소의 4개의 원자가 전자는 sp, sp2, sp3의 세 가지 전자 혼성 궤도 특성을 가지므로 각각은 매우 다릅니다. 속성. 일반적으로 흑연은 sp2 혼성 탄소로 구성됩니다. 가장 바깥쪽 층은 삼각형의 sp2 궤도에 전자 3개가 있어 σ 결합을 형성하고, Pπ 궤도의 네 번째 전자는 σ 평면에 수직인 π 결합을 형성합니다. 따라서 흑연은 다양한 특성을 가지고 있습니다. 이방성 라멜라 구조. 이 구조는 우수한 전기 전도성을 제공하지만 기계적 강도도 낮습니다. 다이아몬드는 sp3 혼성 구조를 가지고 있으며, 탄소 원자의 원자가 전자 4개가 사면체 방향의 sp3 궤도에 할당되어 인접한 원자와 형성을 형성합니다. 강한 σ 결합으로 높은 저항률, 화학적 불활성 및 초경도를 제공합니다. 흑연과 다이아몬드 사이에는 sp2와 sp3 하이브리드 구조로 구성된 물질, 즉 비정질 탄소(aC)가 있습니다.

주로 sp3 혼성화 형태로 존재하는 AC는 다이아몬드와 유사한 성질을 갖고 있어 다이아몬드형 비정질 탄소라 불린다[1]. 다수의 sp2 하이브리드 구조로 구성된 aC를 흑연형 비정질 탄소라고 합니다. aC는 다양한 공정으로 제조될 수 있으며, 제조되는 aC도 다양합니다. 수년에 걸쳐 많은 연구자들이 aC의 준비 및 성능 최적화에 대해 광범위하고 심층적인 연구를 수행해 왔으며, 이는 기계, 반도체, 의료 기기 및 기타 응용 분야에서 이 재료의 신속한 개발과 성공을 촉진했습니다.

금속 분리판 응용 분야의 경우 표면 코팅은 접촉 저항을 줄이기 위해 우수한 전도성을 가져야 할 뿐만 아니라 열악한 연료 전지 환경에서 금속 이온의 석출을 방지하기 위해 전기화학적 부식 저항성을 가져야 합니다. 따라서 aC의 고유한 물리적, 화학적 특성은 금속 분리판 코팅의 적용 요구 사항과 매우 일치합니다. aC의 미세구조 조성은 다양한 준비 공정과 매개변수 조건을 통해 조정될 수 있으며, 이를 통해 경도, 화학적 불활성, 전도성 및 기타 특성을 변경하여 금속 분리판의 기술적 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

진공 기술의 급속한 발전으로 인해 이제 aC를 위한 다양한 준비 방법이 있습니다. 다양한 준비 방법을 통합하고 서로 학습하여 서로 다른 특성을 가진 기술 분야를 개발했습니다. 가장 일반적이고 일반적인 것은 다음과 같습니다.

마그네트론 스퍼터링은 자기장을 이용해 스퍼터링 가스의 이온화 속도를 높여 스퍼터링 수율을 높이는 PVD 코팅 방식입니다. 이것은 많은 최적화를 거쳐 일련의 균형, 불균형, AC, 펄스 등을 도출했습니다. 기술 분야에서는 최근 몇 년 동안 금속 양극판 코팅에 널리 사용되었습니다. 이 방법으로 제조된 필름층은 일반적으로 밀도와 평탄도가 좋고, 코팅 과정에서 기판을 상대적으로 낮은 온도로 유지할 수 있어 생산 효율이 향상될 뿐만 아니라 기판에서 발생하는 열이 필름에 미치는 영향도 줄어듭니다. 층. 조직에 부정적인 영향을 미칩니다.

플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)은 CVD 시스템에 저온 플라즈마를 도입하는 기상 증착 기술입니다. 플라즈마의 존재는 반응 물질의 화학적 활성을 향상시켜 성막 온도를 낮추고 반응 속도를 증가시키기 때문입니다. Cheet al. PECVD를 통해 분리판에 적용할 수 있는 수소 함유 비정질 탄소막을 제조했다. 성능을 보장하면서 증착 속도는 거의 40 nm/min이 될 수 있어 높은 준비 효율성을 보장합니다.

이온 도금은 크게 증발 이온 도금과 스퍼터링 이온 도금의 두 가지 범주로 나뉩니다. 코팅물질을 이온화하여 기재 표면에 증착시키는 기술입니다. 고에너지 이온의 충격은 필름/기판 경계면에 의사 확산층을 형성하여 결합 강도를 향상시킬 뿐만 아니라 기판 표면에 고밀도 결함을 생성하여 핵 생성 밀도를 크게 증가시키고 성막 속도.

AC는 이미 금속 분리판 코팅 적용 분야에서 비교적 성숙한 연구 진전을 이루었습니다. Yu et al. 펄스 바이어스 이온 도금을 통해 316L 스테인레스 스틸에 aC를 준비했습니다. 다수의 sp2 클러스터가 존재하기 때문에 전자 이동 경로가 제공되어 매트릭스의 접촉 저항이 크게 감소합니다. 그러나 필름 내부 응력의 축적과 준비 과정에서 열 응력의 영향으로 인해 금속 분리판 표면에 단순히 제조된 aC 멤브레인은 균열 및 탈락이 발생하기 쉬워 높은 내구성 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. 실제 응용 분야에서. 따라서 많은 사람들이 멤브레인 내부의 응력을 줄이고 멤브레인 베이스의 접착력을 향상시키기 위해 집중적인 연구를 해왔다.

결합력을 향상시키기 위해 금속 전이층을 준비하고 금속 원자를 도핑하는 것은 가장 확실한 방법 중 하나입니다. 금속 원자를 도입하면 필름 내 응력, 경도 및 영률이 감소합니다. 일부 연구자들은 탄소막을 준비하기 전에 기판 표면에 W 전이층을 준비하고, W 층이 포함된 탄소막과 순수 탄소막 샘플을 비교했다. 결과는 W 전이층이 있는 탄소 필름 샘플이 결합 강도가 더 우수하다는 것을 보여줍니다.

                                                                              aC 필름의 나노스크래치 테스트 결과

aC의 특수한 미세 구조로 인해 sp2 및 sp3 결합이 탄소 필름 시스템에 공존할 수 있을 뿐만 아니라 다른 원소 원자도 도핑될 수 있습니다. 특히, 다양한 유형과 농도의 금속 원자를 도핑하면 탄소 필름의 다양한 하이브리드 결합 함량을 제어하는 ​​데 크게 도움이 됩니다. 도핑된 금속은 탄화물, 금속 클러스터, 금속 산화물의 형태로 존재할 수 있습니다. 다양한 존재 형태 또한 탄소막에 다양한 성능을 부여합니다. 예를 들어, Li et al. 316L 스테인레스 스틸 기판에 Ti 도핑 양이 다른 aC 필름을 준비하기 위해 DC 균형 마그네트론 스퍼터링 기술을 사용했습니다. Ti 도핑은 aC 필름의 구조를 크게 개선하고 대규모 주상 결정의 성장을 방지하며 필름 층의 밀도를 증가시킵니다. Ti 원자의 도입은 aC 필름의 sp2 혼성화를 촉진하고, Ti 도핑량의 증가는 탄화물 형성을 촉진하여 필름의 전도성을 크게 향상시킵니다.

                                                                       Ti 도핑 후 aC 필름의 단면

일반적으로 aC 필름에서 도핑된 금속의 존재 여부는 주로 금속 도핑 양의 영향으로 인해 다릅니다. Zhang은 폐쇄장 비평형 마그네트론 스퍼터링 기술을 사용하여 316L 표면에 Ag 및 Cr 도핑량이 서로 다른 aC 필름을 준비했습니다. 연질 금속상 Ag의 존재는 증착된 원자의 확산 정도를 증가시키므로 Ag의 혼입 농도가 증가함에 따라 탄소막의 표면 형태 분포가 점차 균일해지고 Ag는 점차 클러스터 응집 형태로 성장하게 된다. Cr이 도핑되어 특정 농도에 도달하면 Cr 탄화물 나노 결정이 필름에 석출되어 인근 영역의 크기 수축을 유발하여 필름의 밀도를 높이는 효과를 얻습니다. 뿐만 아니라 Ag와 Cr의 공동 도핑은 Raman의 ID/IG를 크게 향상시킬 수 있으며, 이는 필름의 sp2 비율을 증가시킬 뿐만 아니라 sp2 결합 구성을 더욱 컴팩트하게 만듭니다.

                                                   다양한 Ag 및 Cr 도핑 농도에서 aC 필름의 형태

그러나 도핑 원소의 농도가 높을수록 필름의 전반적인 성능이 좋아진다는 의미는 아닙니다. 고농도 Ag 도핑은 필름층의 전자 전달 경로를 증가시키지만, 내장된 대형 Ag 클러스터는 우선적인 부식 영역이 되어 전해질이 필름층으로 확산되는 경로를 제공합니다. 그리고 Ag 나노클러스터의 용해와 Cr 산화물의 생성으로 인해 정전위 분극 이후 ICR이 성장하게 됩니다.

                                                                       내식성 테스트 후 ICR 변화

비정질 탄소 코팅의 구조를 조정하여 금속분리판의 성능을 향상시키는 공정은 여러 가지가 있으며, 이를 다방면으로 개발하고 시도하기 위해 모두가 열심히 노력하고 있습니다. 그러나 비용을 절감하면서 분리판의 수명을 향상시키는 방법은 항상 대규모 상용 응용 분야의 핵심 문제였습니다. Ehisen은 위의 측면에 대해서도 많은 연구와 검증을 수행했으며 완벽한 양극판 평가 시스템을 갖추고 있습니다. Ehisen은 공급업체와의 심층적인 소통과 협력을 통해 고성능 금속 분리판 부품을 개발합니다. 현재 Ehisen이 적용한 최신 탄소 코팅 금속 분리판은 포괄적인 성능 테스트와 엄격한 온라인 내구성 테스트를 통과했으며 20000시간 이상의 스택 작동 수명을 지원하기에 충분합니다. 차세대 탄소 코팅 금속 분리판을 적용하면 원래의 스택 성능이 향상될 뿐만 아니라 스택 비용도 크게 절감됩니다.

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