Doping für gesellschaftlichen und ökologischen Nutzen
Der Ausbau des "grünen Verkehrs" ist eine wichtige und unumgängliche Lösung, um die Menge an Luftschadstoffen und die Emission von Treibhausgasen erheblich zu verringern.
Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) wandelt Wasserstoff- und Sauerstoffgase in Elektrizität um, wobei als einziges Nebenprodukt Wasser entsteht. Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und der Emissionsfreiheit ist die PEMFC als saubere Energiequelle jenseits von Benzin und Diesel von großem Interesse. Die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle hat sich in den Zukunftsplänen der Industrieländer als erfolgreicher Ersatz für Verbrennungsmotoren in Automobilen erwiesen. Daher ist die Kapazität zur Installation von Brennstoffzellen im Verkehrssektor in den letzten Jahren erheblich gewachsen.
Autos und Lastwagen, die mit Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapeln betrieben werden, gelten aufgrund ihrer Vorteile wie Umweltfreundlichkeit, niedrige Starttemperaturen und hohe Energiedichte als endgültige Lösung für den Ersatz herkömmlicher kraftstoffbetriebener Autos.
Bipolarplatten, die traditionell aus Graphit oder Verbundwerkstoffen hergestellt werden, sind eine der Kernkomponenten des PEMFC-Stacks. Solche Konstruktionen wurden wegen ihrer Einschränkungen wie mangelnde Festigkeit und Zähigkeit, übermäßiges Gewicht und hohe Verarbeitungskosten kritisiert.
Bipolarplatten aus rostfreiem Stahl haben jedoch eine ausgezeichnete und umfassende Leistung, niedrige Kosten und vielfältige Optionen für Automobilanwendungen gezeigt.
Allerdings sind die Bipolarplatten aus Edelstahl in der aggressiven PEMFC-Arbeitsumgebung anfällig für Korrosion und Passivierung, was letztendlich entweder zu einer Verringerung des Wirkungsgrads oder zu einem vorzeitigen Ausfall führt.
Um die Korrosion von Bipolarplatten zu verhindern, werden viele technische Wege der Nichtbeschichtung und der Beschichtung von Bipolarplatten aus Edelstahl aufgezeigt. Dazu gehören die Regulierung der Substratkomponente, plasmagestütztes oder thermisches Nitrieren, Galvanisieren, Ionenplattieren, chemisches Aufdampfen und physikalisches Aufdampfen usw. Alternativ werden Bipolarplatten aus Edelstahl mit Metallnitriden, Polymeren (durch Oberflächenpolymerisation) und kohlenstoffhaltigen Beschichtungen usw. beschichtet.
Beide Technologien verringern die Probleme mit der Korrosion von rostfreiem Stahl, ohne den Kontaktwiderstand nennenswert zu beeinträchtigen. Bipolarplatten aus rostfreiem Stahl stehen jedoch immer noch vor zahlreichen Herausforderungen, wie z. B. Langzeitstabilität im Dauerbetrieb, hohe Kosten und die Einführung in die Massenproduktion.
Die Suche nach einer geeigneten Lösung, die den Anforderungen von Graphit-Bipolarplatten in Bezug auf Korrosionsbeständigkeit gerecht wird, aber einen hohen Preis in Bezug auf die Herstellungskosten und ein geringes Gewicht aufweist, sind einige der Nachteile von Graphit-BPP.
Im Gegensatz dazu bieten Kohlenstoff-Nanoröhrchen großartige Funktionen wie mechanische Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, thermische Stabilität und Haltbarkeit.
Kohlenstoff-Nanoröhren verbessern die Brennstoffzellenaktivität und die Leistung der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen. Kohlenstoff-Nanoröhren zeigen eine ausgezeichnete Effizienz, da sie mit anderen Kohlenstoffformen, z. B. Graphit, kombiniert werden können, um die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Verbundstoffen zu verbessern.
Bipolar plates for permeable exchange membrane fuel cells.
Figure curtesy: Yuan et.al. J. New Mater. Electrochem. Syst., 8 (2005), pp. 257-267
Proton exchange membrane fuel cell structure and components.
Figure curtesy: Haque et.al. Michigan Technological University ProQuest Dissertations Publishing, 2016. 10120296
Brennstoffzellen auf der Grundlage der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD)
Bei der plasmagestützten oder ionisierten physikalischen Gasphasenabscheidung wird Dampf aus einer festen Quelle, der so genannten Targetkathode, in Gegenwart eines Glimmentladungsplasmas kondensiert.
Typische PVD-Verfahren sind die Ionenverdampfung, das reaktive Sputtern und einige plasmagestützte Beschichtungsverfahren.
Die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ist eine sehr vielversprechende Technologie zur Verbesserung der Leistung und Langlebigkeit von Brennstoffzellen und Elektrolyse. Metalldotierte Targets auf Kohlenstoffbasis können zur Beschichtung von Bipolarplatten aus Edelstahl verwendet werden (High Power Pulsed Magnetron Sputtering).
HiPIMS ist ein kürzlich entwickeltes Verfahren zur ionisierten physikalischen Gasphasenabscheidung (i-PVD), das sich durch die Abscheidung gleichmäßiger, extrem dichter und gut haftender Schichten auszeichnet.
Über die Verwendung von HiPMS für die Abscheidung von Schutzschichten für Bipolarplatten in PEMFC wurde noch nie berichtet.
Rein amorphe a-C-Kohlenstoffschichten werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie chemische Inertheit, mechanische Härte, optische Transparenz und elektrische Leitfähigkeit eingehend untersucht. Normalerweise enthalten a-C-Beschichtungen gemischte Mengen an nanokristallinen Strukturen und ungeordneten Strukturen, die durch unterschiedliche Hybridisierungen, wie sp3 und sp2, verursacht werden. Eine Methode zur Abscheidung von korrosionsschützenden und leitfähigen a-C-Beschichtungen mit hervorragender Leistung auf effektivere Weise ist daher immer eine Herausforderung geblieben.
Die Materialeigenschaften von a-C und Metallsubstraten sind sehr unterschiedlich. Es ist schwierig, a-C-Schichten direkt auf Edelstahlsubstrate aufzubringen. Daher sind das Design der Übergangsschicht und die Materialauswahl entscheidend für die hohe Leistungsfähigkeit der a-C-Beschichtungen.
Das Einbringen von Metall in die Bipolarplatten auf Kohlenstoffbasis kann durch die Kombination von gepulster Magnetronsputtertechnik mit einer ähnlichen Technik (Co-Sputtern) oder einer anderen Technik (Ionenimplantation) erreicht werden, um den Trägerkatalysator abwechselnd oder gleichzeitig mit den Hauptbeschichtungsschichten abzuscheiden. Dies kann entweder mit einem legierten Target (metalldotiertes Kohlenstofftarget) oder mit getrennten Kohlenstoff- und Metalltargets geschehen.
Metallelemente, die in amorphe Kohlenstoffschichten dotiert werden, können mit Kohlenstoffatomen verschiedene Arten von Nanostrukturen bilden, z. B. eine feste Lösung und nanokristalline Einbettung in a-C-Phasen.
Die Dotierung von a-C-Beschichtungen mit Metallatomen kann die Mikrostruktur, die Morphologie und die Größe der nanokristallinen Formationen sowie die chemische Beschaffenheit der amorphen Kohlenstoffbeschichtungen erheblich beeinflussen, was sich positiv auf die Leistung der Brennstoffzelle auswirken kann. Mit Metallnitrid dotierte kohlenstoffhaltige Materialien, die mit unterschiedlichen N2-Ar-Verhältnissen gezüchtet wurden, und eine innovative Beschichtung auf der Grundlage von leitfähigen Oxidschichten auf Metallbasis weisen eine hervorragende elektrochemische Leistung auf.
Schematic illustrations of a single TiCx/a-C layer
Schematic illustrations of a multilayered TiCx/a-C
Figure Curtesy: ACS Appl Mater Interfaces, 10 (2018), pp. 19087-19096