燃料電池是把燃料具有的化學能直接轉(zhuǎn)換為電能的化學裝置,，又稱電化學發(fā)電器,。燃料電池具備運行中o排放、高效率等優(yōu)點,，是交通運輸領域?qū)崿F(xiàn)低碳排放的重要技術(shù)之一,。雙極板是氫燃料電池的核心部件，主要作用是收集燃料電池產(chǎn)生的電流,、向電極供應反應氣體,、阻止兩極間反應物質(zhì)的滲透，并支撐加固燃料電池,。然而,，由于燃料電池的酸性工作環(huán)境，雙極板易被腐蝕,。因此,，開發(fā)具有優(yōu)良的導電性,、耐腐蝕性的新型雙極板是該領域的重要任務。

　　近年來,，中國科學院蘭州化學物理研究所先進潤滑與防護材料研究發(fā)展中心納米潤滑課題組致力于新型氫氣,、甲醇和磷酸燃料電池用雙極板薄膜/涂層設計、工藝技術(shù)開發(fā),，并取得系列研究進展,。

　　針對碳薄膜沉積效率低、導電性能差,，科研團隊運用催化反應磁控濺射法,，制備了導電耐蝕碳薄膜（圖1）。研究依靠橋接的納米銅團簇和石墨烯狀碳結(jié)構(gòu)在體相中構(gòu)成空間網(wǎng)絡,，該結(jié)構(gòu)賦予樣品良好的導電性,。同時，橋接的納米銅團簇被石墨烯狀碳結(jié)構(gòu)和無定形碳團簇隔離,，從而保護了納米銅團簇不與腐蝕性液體接觸,，賦予樣品優(yōu)異的耐腐蝕性能。相關(guān)研究成果以Electronic conductive and corrosion mechanisms of dual nanostructure CuCr-doped hydrogenated carbon films for SS316L bipolar plates為題,，發(fā)表在Materials Today Chemistry上,。

　　科研人員發(fā)現(xiàn)CrN薄膜具有優(yōu)異的耐蝕性、導電性和低成本特性,，但CrN薄膜的制備窗口很窄,，很少有薄膜能同時滿足DOE 2025關(guān)于接觸電阻和腐蝕電流密度的標準，無法實現(xiàn)雙極板的商業(yè)化,。為解決這些問題,，研究提出了非晶納米晶彌散結(jié)構(gòu)，來突破導電和耐腐蝕相統(tǒng)一的矛盾,?？蒲腥藛T利用高功率微脈沖磁控濺射（HiPIMS）在寬N2/Ar比（4-10%）條件下沉積了具有高導電性（低可達6.14 mΩ·cm2 at 1.4 MPa）和強耐蝕性（腐蝕電流密度均小于1 μA·cm-2，低可達0.086 μA·cm-2）的CrN膜,。研究表明,，得益于HiPIMS高的等離子體密度和離子能量，可以調(diào)控高金屬特性和穩(wěn)定性的Cr2N生長,，賦予薄膜良好的導電性,，同時可抑制CrN膜柱狀結(jié)構(gòu)的生長，形成非晶包裹的Cr2N納米團簇的空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),，提高了薄膜的耐腐蝕性（圖2）,。相關(guān)研究成果以Nano-Cr2N dominated films with high conductivity and strong corrosion resistance for Ti bipolar plates為題發(fā)表在Materials & Design上。

　　科研團隊利用HiPIMS制備了TiN薄膜,，系統(tǒng)研究了氮氣流速對所沉積薄膜的表面微觀結(jié)構(gòu),、耐蝕性,、表面電導率和水接觸角的影響。氮氣流量的改變造成分子氣體內(nèi)部自由度的變化而影響動能,，從而影響TiN的成核和生長,，進而影響TiN薄膜的表面微觀結(jié)構(gòu)。研究通過織構(gòu)系數(shù),、晶粒尺度的計算論證證明,，入射粒子的動能是控制TiN涂層擇優(yōu)取向和結(jié)晶度的重要因素（圖3）。研究證實了高能等離子調(diào)控可實現(xiàn)寬工藝（N2/Ar比（4-10%））范圍內(nèi)實現(xiàn)導電,、耐腐蝕的統(tǒng)一,。相關(guān)研究成果以Adjustable TiN coatings deposited with HiPIMS on titanium bipolar plates for PEMFC為題，發(fā)表在《國際氫能雜志》（International Journal of Hydrogen Energy）上,。

　　近日,，科研團隊對燃料電池金屬雙極板的保護薄膜/涂層性質(zhì)、材料合成方法及應用進行了展望性評述,，以Protective coatings for metal bipolar plates of fuel cells: A review為題,，發(fā)表在《國際氫能雜志》（International Journal of Hydrogen Energy）上。

　　目前,，科研團隊在燃料電池雙極板薄膜/涂層方面獲中國發(fā)明授權(quán)3件,，在雙極板涂層裝備方面獲中國發(fā)明授權(quán)1件，正在積極尋求產(chǎn)業(yè)合作,。研究工作得到吉林省與中科院科技合作高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項,、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金和中科院青年創(chuàng)新促進會會員項目的支持。

圖1.CrCu摻雜的導電耐蝕碳薄膜制備過程,，電化學性能及導電耐蝕機制

圖2.HiPIMS制備一種高導電,、強耐蝕的CrN薄膜及其性能分析

圖3.N₂流速對TiN薄膜生長的影響機制

圖4.燃料電池雙極板的發(fā)展歷程

文章來源：轉(zhuǎn)載自全球氫能網(wǎng)

注：已獲得轉(zhuǎn)載權(quán)