燃料電池是把燃料具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。燃料電池具備運行中零排放、高效率等優(yōu)點，是交通運輸領(lǐng)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(yīng)反應(yīng)氣體、阻止兩極間反應(yīng)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(dǎo)電性、耐腐蝕性的新型雙極板是該領(lǐng)域的重要任務(wù)。

近年來，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)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(shè)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(dǎo)電性能差，科研團隊運用催化反應(yīng)磁控濺射法，制備了導(dǎo)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(luò)，該結(jié)構(gòu)賦予樣品良好的導(dǎo)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。

圖1 CrCu摻雜的導(dǎo)電耐蝕碳薄膜制備過程，電化學(xué)性能及導(dǎo)電耐蝕機制

科研人員發(fā)現(xiàn)CrN薄膜具有優(yōu)異的耐蝕性、導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電性（最低可達6.14 mΩ·cm2at 1.4 MPa）和強耐蝕性（腐蝕電流密度均小于1 μA/cm2，最低可達0.086 μA/cm2）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(dǎo)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(luò)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。

圖2 HiPIMS制備一種高導(dǎo)電、強耐蝕的CrN薄膜及其性能分析

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(dǎo)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(dǎo)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。

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

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(yīng)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)明專利授權(quán)3件，在雙極板涂層裝備方面獲中國發(fā)明專利授權(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)新促進會優(yōu)秀會員項目的支持。

（中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）