GGII derlemesi: Metal bipolar plaka kaplama işleminin zorlukları ve çözümleri
1) Üretim ekipmanı maliyeti, metal çift kutuplu plakaların maliyetinin çoğunu oluşturur ve seri üretim, metal çift kutuplu plakaların maliyetini büyük ölçüde azaltabilir.
2) Araştırmacılar, yüksek üretim maliyeti ve uzun PVD sağlama süresinin teknik engellerini aşan kaplama biriktirme için hedef mozaik yöntemini kullandılar.
3) Katkılı Ti alaşımlı kaplama, yüzeyinde katkılı bir TiOx filmi oluşturabilir, bu da metal plaka kaplaması ile paslanmaz çelik alt tabaka arasındaki temas direncini etkili bir şekilde azaltabilir ve metal levha kaplamanın korozyon direncini artırabilir. .
Düşük İmalat Maliyetli V.D.1 Yeni Yapısal Metal Bipolar Plakanın Kaplama İşleminin Analizi
Conghua "CH" Wang
TreadStone Technologies, Inc.
201 Washington Yolu Princeton, NJ 08543
Telefon: (202) 287-1657
Eposta: Bahman.Habibzadeh@ee.doe.gov
Advanced Industry Research Institute (GGII) tarafından derlendi
Not: Makale DOE web sitesinden gelmektedir.
Genel hedef
l Katkılı titanyum oksit (TiOx) kaplamanın fiziksel buhar biriktirme (PVD) sürecini geliştirin.
l Katkılı TiOx yüzey tabakasının kimyasal bileşimi ve kalınlığı ve proton değişim membranı (PEM) yakıt hücresindeki kaplamanın elektriksel temas direnci ve korozyon direnci dahil olmak üzere katkılı TiOx kaplamasıyla kaplanmış metal plakayı karakterize edin;
l Düşük maliyetli paslanmaz çeliğin kaplama sürecini ve ön işlemden sonra damgalama işlemini değerlendirin;
l Teknolojinin üretim maliyetini analiz edin.
2017 mali yılı hedefleri
Teknik engeller
Bu proje, yakıt hücresi teknoloji ofisinin çok yıllı araştırma, geliştirme ve gösteri planının yakıt hücresi kısmındaki aşağıdaki teknik engelleri çözmektedir.
(A) Dayanıklılık (yakıt hücresi çalışması sırasında bipolar plakanın dayanıklılığını artırın)
(B) Maliyet (iki kutuplu levha üretiminin maliyetini düşürmek)
(C) Performans (Bipolar plakanın performansını artırın)
Teknik indeks
Projenin teknik amacı, aşağıdaki hedefleri karşılamak için PEM yakıt hücreleri için katkılı TiOx kaplamaların üretim sürecini daha da geliştirmektir:
l Gaz difüzyon tabakası ile düşük elektriksel temas direnci ( < 5 m cm2)
l Yüksek korozyon direnci: < 1 mA / cm2
l Düşük maliyet: Maliyet 2020 yılına kadar 3 $ / kW olacaktır
l Ön işlemden sonra rulodan ruloya kaplama ve damgalama kabiliyeti
2017 Mali yıl sonuçları
l Üretim maliyeti analizini tamamlayarak önerilen teknolojinin diğer rakip teknolojilere kıyasla en düşük maliyete sahip olduğunu gösterdi.
l Tasarım püskürtme hedefleri;
l TiOx kaplamanın mikroskobik karakterizasyon yöntemini belirleyin;
l Kaplama yüzeyinde bileşenlerin ayrılmasını en aza indirmek için bir işlem geliştirdi.
Giriş
Nakliye için yakıt hücresi sistemleri ve yığın bileşenleri, yakıt hücresi sistemi maliyetlerini düşürmede ve performansı artırmada önemli bir rol oynar. Metal çift kutuplu plakalar, yakıt hücresi yığınlarının önemli bir parçasıdır. Örneğin, otomotiv endüstrisi, şiddetli soğuk havalarda (-40 ° C) yakıt hücreli araçların hızlı bir şekilde çalıştırılmasını sağlamak için metal çift kutuplu plakaların gerekli olduğunu doğruladı. Metal plakanın maliyeti, yakıt hücresi yığınının maliyetinin önemli bir parçasıdır. Şekil 1, ekibimizin iş ortağı Strategic Analysis, Inc. tarafından PEM yığınlarının maliyet bileşiminin yakın tarihli (Aralık 2015) bir analizidir. İki kutuplu plakaların tüm yığın maliyetinin% 14-27'sini oluşturduğunu göstermektedir (2015'te teknoloji, 10-50 milyon yığın / yıl). Bu nedenle, tabaka malzemesinin maliyetindeki küçük bir azalma, tüm yığının maliyeti üzerinde önemli bir etkiye sahip olacaktır.
Şekil 1 PEM yakıt hücresi yığınının maliyet bileşimi
yöntem
Bu projenin teknolojisi, PEM yakıt hücreleri için değerli metal içermeyen kaplama teknolojisinin geliştirilmesidir. Bu teknolojinin şematik diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. SS folyo substratının yüzeyi, ince (~ 100 nm kalınlığında) bir titanyum alaşımı alt katmanı ve ultra-ince (birkaç nanometre) katkılı TiOx iletken yüzey katmanı ile kaplanmıştır. Yüzey oksit tabakası, titanyum alaşımı alt tabakasının yüzeyinde büyür. Titanyum alaşımları, katkılı TiOx içindeki katkı maddeleri olan alaşım elementleri içerir.
TreadStone yöntemi, kaplama malzemeleri olarak katkılı titanyum oksit yarı iletken malzemelerin kullanılmasının temel teknik engellerinin üstesinden gelir, yani (1) oksit kaplamanın kalınlık kontrolü ve (2) oksit tabakasının metal matrise yapışması. Bu teknoloji, bu engellerin üstesinden gelmek için titanyum alaşımlarının doğal özelliklerini kullanır ve seri üretimde istikrarlı performansa ve düşük maliyete sahiptir.
Şekil 2 SS folyo üzerine TreadStone kaplama katkılı TiOx kaplamanın şematik diyagramı
sonuç
Ekibimizin ortağı Strategic Analysis, Inc., korozyona dayanıklı kaplamaların üretim maliyetini analiz etmek için yukarıda belirtilen teknikleri kullandı. Analiz, güç yoğunluğu 1095 mW / cm2 olan 377 bipolar plakadan oluşan bir istife dayanmaktadır. Kaplamayı damgalı ve kaynaklı panellere uygulamak için bir ön işlem kaplama işlemi kullanılır. Şekil 3, farklı üretim hacimlerinde kaplama maliyetini göstermektedir. Kaplamanın ana maliyetinin PVD ekipmanının maliyeti olduğunu gösterir. Üretim maliyetleri çıktıyla ilgilidir. 500.000 sistem / yıl kapasitesi ile kaplama maliyeti 0,14 $ / karttır. Toplam kaplama maliyeti, DOE gereksinimlerini karşılayabilecek 0,85 ABD Doları / kW'dir.
Şekil 3 Farklı çıktılarda bipolar levhanın kaplama imalat maliyeti
Önceki bir küçük işletme inovasyon araştırma projesinde, titanyum alaşımlı kaplama bileşiminin yüzeyde ayrıldığı bulundu. Takviye elemanı Nb veya Ta, saf bir titanyum yüzey tabakası oluşturan alaşım kaplamanın yüzey tabakasından ayrılır. Saf titanyum yüzey tabakası, yalnızca katkılı titanyum oksit kadar iletken olmayan bir titanyum oksit yüzey tabakası oluşturabilir. Bu projede, doping elemanlarının kinetik enerjisini azaltmak için püskürtme biriktirme işleminin işleme koşullarını ayarladık, böylece kaplama yüzeyine nüfuz eden katkı elemanlarının miktarını en aza indirdik. Şekil 4, biriktirilmiş Ti-2Ta alaşım kaplamanın X-ışını fotoelektron spektroskopisinin çekirdek enerji seviyesi spektrumunu göstermektedir. Yüzey tabakasının% 0.5'de Ta içerdiği bulundu. Konsantrasyon hala hedefin altında olsa da, kaplama yüzeyinde katkılı titanyum oksit elde etmek için takviye elemanlarının ayrılmasını kontrol etmek için biriktirme enerjisi kontrolünü kullanmanın uygulanabilirliğini göstermektedir.
Üretim süreci geliştirmede önerilen projenin zorluğu, PVD hedefinin yüksek üretim maliyeti ve uzun üretim döngüsü . Projenin zamanı ve bütçesi sınırlıdır, bu nedenle süreci ve kaplama bileşimini optimize etmek zordur. Bu projede, maliyet ve teslimat süresi zorluklarının üstesinden gelmek için yeni bir yöntem geliştirdik. Biriktirme için hedef mozaik yöntemini kullanacağız. Biriktirme hedefi, bir titanyum tepsiye yerleştirilmiş bir hedef şeritten yapılmıştır. Kaplama bileşimi, her bir elemanın genişlik oranı (birleşik püskürtme hızı) ile belirlenir. Örneğin, Nb ve Ti şeritleri bir Ti-Nb kaplaması elde etmek için bir titanyum tepside kullanılabilir ve Nb ve Ti şeritlerinin genişliği kaplamadaki Nb ve Ti oranını ayarlamak için kullanılabilir. PVD sistemi proses gereksinimlerini karşılayabilen bir ortak olarak bir PVD kaplama şirketi belirledik. Katkılı titanyum oksit kaplama için üretim teknolojisi geliştiriyoruz.
Şekil 4 Kaplama yüzeyinde Ta varlığını gösteren, biriktirilmiş Ti-Ta kaplamanın X-ışını fotoelektron spektroskopi çekirdek enerji seviyesi spektrumu
Sonuç ve sonraki adımlar
Proje, PEM yakıt hücreleri için yeni değerli metal içermeyen kaplama teknolojisinin üretim teknolojisi geliştirmesine odaklanıyor. Üretim maliyetinin analizi, diğer rakip teknolojilerle karşılaştırıldığında bu teknolojinin en düşük üretim maliyetine sahip olduğunu göstermektedir. Proje, temel teknik engellerin üstesinden gelmek için teknik çözümler geliştirdi.
Proje, PVD teknolojisine dayalı üretim süreçlerini geliştirmeye devam edecek. Kaplamanın karakterizasyon süreci, imalat süreci kalite kontrol yöntemlerinin geliştirilmesi için geliştirilecektir. Kaplanmış SS paneller, ex-situ korozyon testlerinde ve ön işlem damgalama testlerinde değerlendirilecektir. Alt tabaka malzemeleri 316L SS ve daha düşük maliyetli 304 SS içerir. Kaplamaların performansını iki alt tabaka üzerinde karşılaştıracağız.
-
- DNF Xuxu bebeği en son savaş gücünü gösteriyor, ulusal üniformada bundan daha yüksek bir şey var mı?
