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研究生:黃政豪
研究生(外文):Cheng-Hao Huang
論文名稱:以化學氣相沉積法製備碳鍍層及其在燃料電池金屬雙極板之應用
論文名稱(外文):Preparation of Carbon Films by CVD Process for the Applications of PEMFC Metallic Bipolar Plates
指導教授:陳士堃
指導教授(外文):Shi-Kun Chen
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:材料科學所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:114
中文關鍵詞:腐蝕石墨膜化學氣相沉積不�袗�雙極板拉曼光譜
外文關鍵詞:corrosiongraphite filmCVDstainless steelbipolar platesRaman
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燃料電池系統中,雙極板需具備良好的導電度及抗腐蝕性外,還須具有足夠強度,以目前欲商用之雙極板來說,更須減輕重量和降低成本,因此金屬製作而成之雙極板便成為發展之主題。在金屬基板上披覆一層類石墨(graphite-like)碳膜,不但是電、熱之良導體,更可獲得較佳之抗腐蝕能力,如此一來即可達成減輕重量、減少體積、降低成本之目的。
本實驗中以不�袗�做為金屬基板,採用電漿輔助物理氣相沈積法(PAPVD)濺鍍鎳層於基板上,再用高溫化學氣相沉積法(thermal CVD)沉積碳膜,利用鎳觸媒特性,藉以提昇碳膜石墨化程度。CVD製程中以甲烷做為反應氣體,並混合氬氣或氫氣做為載流氣體,利用SEM、XRD、Raman光譜與動電位極化法來研究碳膜之特性。
研究結果顯示,當甲烷中混合載流氣體沉積碳膜,可使碳膜石墨化程度呈現上升趨勢,其中以混合氫氣效果最為優異。而試片披覆碳膜後抗腐蝕性也有提昇,但應是碳化物及鐵鎳化合物或鎳所致,披覆之碳膜雖是連續膜,卻無法提供試片表面較佳之抗腐蝕性。
Bipolar plates have to accomplish many functions in polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). The main functions are: electric conductivity, corrosion resistance, chemical stability, mechanical strength and density. Metallic bipolar plates are focus of the investigations. The advantages of graphite film coated on stainless steel are their excellent corrosion resistances, electric/thermal conductivity, reduce cost, volume, and weight.
Nickel has been known to be an efficient catalyst for the graphitization of amorphous carbon. Nickel layer is deposited on stainless steel by plasma assisted physical vapor deposition (PAPVD). Carbon film was obtained by chemical vapor deposition (CVD) on nickel layer. In CVD process, methane is carbon sources, argon or hydrogen is used as carrier gas. The properties of the film were investigated by scanning electron microscope (SEM), grazing incident X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and electrochemical analysis.
The results reveal that increasing carrier gas flow can promote catalytic graphitization. With the carrier gas is hydrogen, the ratio of D mode to G mod is lower than 0.1. The carbon films coated on substrate can improvement in resistances to corrosion. Although the continuous carbon film was observed, but it can’t provide for more resistances to corrosion.
摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
圖目錄 vii
表目錄 xi
符號說明 xii
第一章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.2 燃料電池簡介 2
1.3 動機與目的 4
第二章 文獻回顧與理論基礎 6
2.1 燃料電池原理與種類 6
2.1.1 高分子電解質膜燃料電池組成元件 12
2.2 高分子電解質膜燃料電池雙極板 16
2.2.1 雙極板特性 16
2.2.2 雙極板的種類與發展 19
2.3 觸媒催化 25
2.3.1 觸媒原理 27
2.3.2 觸媒催化石墨化 29
2.4 鍍膜技術 34
2.4.1 直流磁控濺鍍 34
2.4.2 磁控濺鍍 36
2.4.3 化學氣相沉積 36
2.4.4 高溫化學氣相沉積 42
2.5 腐蝕電化學 43
2.5.1 腐蝕之機構 43
2.5.2 極化曲線探討 44
第三章 實驗方法 49
3.1 實驗流程圖 49
3.2 實驗設備及樣品製作 50
3.2.1 基材之選擇 50
3.2.2 基板之準備與清洗 50
3.2.3 濺渡系統 51
3.2.4 濺渡Ni催化層 52
3.2.5 CVD系統 53
3.2.6沉積碳膜 54
3.3 分析與量測 59
3.3.1 鍍率量測 59
3.3.2 XRD結構分析 59
3.3.3 拉曼光譜分析 59
3.3.4 SEM觀察表面型態 60
3.3.5 腐蝕電化學分析 60
3.3.6 電阻量測 61
第四章 結果與討論 62
4.1 不同氣體來源進行反應之表面型態 62
4.1.1 以樟腦做為氣體來源之表面型態 62
4.1.2 以甲烷做為氣體來源之表面型態 65
4.2 以甲烷做為氣體來源之碳膜型態 67
4.2.1 基板之高溫變化 67
4.2.2 不同溫度對碳膜沉積之影響 71
4.2.3 沉積不同碳膜厚度對表面型態與結晶結構影響 74
4.2.3.1 表面型態差異 74
4.2.3.2 結晶結構分析 76
4.2.3.3 石墨含量比較 79
4.2.4 不同鎳觸媒層厚度對碳膜表面型態與結晶結構之影響 80
4.2.4.1 表面型態差異 80
4.2.4.2 結晶結構分析 85
4.2.4.3 石墨含量比較 87
4.2.4.4 電阻值比較 89
4.2.5 不同條件沉積碳膜對腐蝕性影響 90
4.3 混合不同氣體對沉積碳膜之影響 96
4.3.1 混合氫氣與不同流量氬氣 96
4.3.1.1表面型態差異 96
4.3.1.2 石墨含量比較 102
4.3.2混合不同氣體沉積碳膜對腐蝕性影響 105
第五章 結論 107
第六章 未來展望 110
參考文獻 111
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