中科院蘭州化物所：燃料電池雙極板防護涂層研究取得進展

燃料電池是把燃料具有的化學能直接轉換為電能的化學裝置，又稱電化學發電器。燃料電池具備運行中零排放、高效率等優點，是交通運輸領域實現低碳排放的重要技術之一。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生的電流、向電極供應反應氣體、阻止兩極間反應物質的滲透，并支撐加固燃料電池。然而，由于燃料電池的酸性工作環境，雙極板易被腐蝕。因此，開發具有優良的導電性、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、工藝技術開發，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構在體相中構成空間網絡，該結構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構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，賦予樣品優異的耐腐蝕性能。相關研究成果以Electronic conductive and corrosion mechanisms of dual nanostructure CuCr-doped hydrogenated carbon films for SS316L bipolar plates為題，發表在Materials Today Chemistry上。

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

科研人員發現CrN薄膜具有優異的耐蝕性、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關于接觸電阻和腐蝕電流密度的標準，無法實現雙極板的商業化。為解決這些問題，研究提出了非晶納米晶彌散結構，來突破導電和耐腐蝕相統一的矛盾。科研人員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（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，可以調控高金屬特性和穩定性的Cr2N生長，賦予薄膜良好的導電性，同時可抑制CrN膜柱狀結構的生長，形成非晶包裹的Cr2N納米團簇的空間網絡結構，提高了薄膜的耐腐蝕性（圖2）。相關研究成果以Nano-Cr2N dominated films with high conductivity and strong corrosion resistance for Ti bipolar plates為題發表在Materials & Design上。

圖2 HiPIMS制備一種高導電、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，系統研究了氮氣流速對所沉積薄膜的表面微觀結構、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薄膜的表面微觀結構。研究通過織構系數、晶粒尺度的計算論證證明，入射粒子的動能是控制TiN涂層擇優取向和結晶度的重要因素（圖3）。研究證實了高能等離子調控可實現寬工藝（N2/Ar比（4～10%））范圍內實現導電、耐腐蝕的統一。相關研究成果以Adjustable TiN coatings deposited with HiPIMS on titanium bipolar plates for PEMFC為題，發表在《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、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/涂層方面獲中國發明專利授權3件，在雙極板涂層裝備方面獲中國發明專利授權1件，正在積極尋求產業合作。研究工作得到吉林省與中科院科技合作高新技術產業化專項、中科院潔凈能源創新研究院合作基金和中科院青年創新促進會優秀會員項目的支持。

（中國科學院蘭州化學物理研究所）