金屬雙極板涂層在燃料電池領域的研究進展

中圖分類號：TM911.4；TG174.4 文獻標志碼：A

文章編號：2096－2983（2025）04－0001-09

引文格式：，，，等．金屬雙極板涂層在燃料電池領域的研究進展[J]．有色金屬材料與工程，2025，46（4）：1-9. DOI： 10.13258/j.cnkinmme.20240422001.ZHAOLingfang，SUN Xi，DOUNannan，et al.Research progress of metalbipolar plate coating in fuel cells[J]. Nonferrous Metal Materials and Engineering， 2025，46（4）： 1-9.

Research progress of metal bipolar plate coating in fuel cells

ZHAO Lingfang12， SUN Xi， DOU Nannan2， CHEN Jia2， WU Zhengbin2 （1.SchoolofMaterials ScienceandEngineering，Tianjin University，Tianjin3ooo72，China;2.TianjinChneseAcademy-of-Sciences Industry of Advanced Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300392， China）

Abstract： Bipolar plates of proton exchange membrane fuel cells （PEMFC） can be classified by material into three types： graphite bipolar plates， metal bipolar plates， and composite bipolar plates. Compared with graphite and composite bipolar plates，metal bipolar plates feature advantages such as high strength， excellent electrical and thermal conductivity，easy processing，low cost， small volume， and light weight， which have attracted significant attntion from researchers. However， metal bipolar plates are prone to corrosion in the acidic and humid environment of fuel cels， forming non-conductive metal oxide films that drastically reduce the conductivity and stability of the bipolar plates. Currently， surface coating modification of metal materials is an effective approach to enhance the corrosion resistance and extend the service life of metal bipolar plates. This paper focuses on the conductivity and corrosion resistance of metal bipolar plates and their coatings，reviews the recent research progress on different types of coatings， analyzes the existing problems of bipolar plate coatings， and prospects their future development.

Keywords： proton exchange membrane fuel cells; metal bipolar plates; surface modification; conductivity； corrosion resistance

質子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）因其高效率和可持續性而被廣泛認為是未來汽車和便攜式動力設備的理想動力源[]。雙極板作為PEMFC 電堆的八大核心部件之一，約占燃料電池重量的 75% ，總成本的 35% ，在電子連接、膜電極組件支撐、水管理以及氣體流動通道等方面發揮著重要作用。理想的雙極板應價格低廉、質量輕、厚度薄，具有良好的耐腐蝕性和導電性。因此，降低PEMFC的成本，提高電堆的體積功率密度和電化學性能，是當前PEMFC的主要發展方向。

石墨是最早用于制備雙極板的材料，它具有較好導電性、導熱性和化學穩定性，但存在強度低、難加工、生產成本高等問題，這限制了其大規模應用[2]。國內石墨雙極板技術較為成熟，已基本實現國產化。與石墨雙極板相比，金屬雙極板強度高、導電導熱性能優異、易于加工、成本較低、體積小、質量輕等優勢。然而，在PEMFC內部惡劣的酸性和潮濕環境中，金屬雙極板易被腐蝕，形成不導電的金屬氧化物薄膜，同時析出金屬離子。這不僅會導致雙極板導電性能大幅下降，游離的金屬離子還會影響質子交換膜的性能[3]。目前，國內金屬雙極板還處于研發和試制階段，部分燃料電池企業已研制出車用金屬雙極板，并開始嘗試在電堆和整車中進行實際應用。復合雙極板通過將金屬與石墨材料結合，兼具質量輕、化學性能穩定等優點。但其結構和制備工藝復雜，在受到沖擊和震動時可能導致電池破裂和反應物泄漏，難以實現批量化生產，且生產成本遠高于碳基復合材料雙極板，因此在PEMFC中的推廣應用面臨一定困難。目前，復合雙極板的研發仍處于實驗室階段，國內企業涉足較少，產品應用情況未見報道。

早期PEMFC直接使用不銹鋼、鋁、鈦等材料作為雙極板的原料，極板表面易被氧化形成鈍化膜，改變了雙極板和擴散層的表面形貌，導致界面接觸電阻（interfacial contact resistance，ICR）增大，降低了PEMFC的輸出功率。為應對金屬雙極板易腐蝕的問題，研究人員對其進行表面涂層改性，在提升耐腐蝕性的同時也增強了導電性。常用的表面涂層改性方法包括電鍍、化學鍍、物理氣相沉積（physicalvapordeposition，PVD）以及化學氣相沉積（chemicalvapordeposition，CVD）等。其中，PVD技術主要包括真空蒸鍍、濺射鍍膜、電弧等離子鍍膜、離子鍍膜和分子束外延等。隨著涂層制備技術的發展，目前出現了很多新型PVD技術，如高功率脈沖磁控濺射法（ high powerimpulse magnetron sputtering，HiPIMS）、閉場不平衡磁控濺射離子電鍍（closedfield unbalanced magnetron sputter ion plating，CFUMSIP）等。雙極板涂層改性方法在選擇時需要根據所需涂層的特性、厚度、成本等方面綜合考慮。美國能源部（United States Department of Energy，DOE）根據燃料電池的使用環境及領域，對金屬雙極板提出了2025年技術目標：腐蝕電流密度 ? 1μA/cm² ，接觸電阻 ?10mΩ?cm²（1.4MPa） ，電導率 gt;100S/cm ，成本 lt;2S/kW ，短堆測試壽命 gt;5000h （ pH=3 I=3，H₂SO₄+0.1×10^-6HF，80^°C）^[4] 。本文聚焦于金屬雙極板涂層的耐腐蝕性和導電性，對金屬雙極板涂層進行了分類匯總，綜述了近年來表面改性處理的研究進展，并展望了金屬雙極板及燃料電池的未來發展方向。

1.1 惰性金屬涂層

Au、Ag、Pt等惰性金屬涂層能有效提高金屬雙極板的耐腐蝕性和導電性。Wind等發現金和鉑涂層能夠有效提高金屬雙極板的耐腐蝕性和導電性其表現與石墨烯雙極板非常相似5，在某些情況下甚至表現出更優越的性能。制備惰性金屬涂層的常用方法有電沉積、化學鍍、燒結、離子注入等。Ag是一種相對低成本的貴金屬材料。Huang等采用一種新化學鈍化方法在316不銹鋼上成功制備了Ag涂層。與使用傳統電沉積法制備的 Ag 涂層相比，采用鈍化工藝制備的樣品疏水性能顯著提高，與水的接觸角由 58^° 增大至 104^° ；原子力顯微鏡分析表明，涂層表面 Ag 顆粒間隙明顯減小，有效改善了針孔缺陷問題，并優化了涂層的整體強度；壓力為 1.2MPa 時，界面接觸電阻由 5.64mΩ?cm² 提高到 6.09mΩ?cm² （見圖1）；開路電壓提高約 0.1V 腐蝕電流密度降低2個數量級；電化學阻抗譜擬合結果顯示，涂層樣品的電荷轉移電阻顯著大于原始樣品的。以上結果均表明，Ag涂層對316不銹鋼具有顯著的保護作用。然而，貴金屬的成本遠超DOE要求中的成本數值，即雙極板成本應在2 ＼$/kW 以下[7]，這導致其難以實現商業化批量應用。目前，國內外關于雙極板改性材料的研究主要集中在廉價的Ti、等過渡金屬磷化物[3、氮化物、碳化物及氧化物上。這些材料具有良好的耐腐蝕性、高導電性和低接觸電阻等特性，被廣泛用于金屬雙極板的表面防護[8]

圖1316不銹鋼及帶有 Ag 涂層的316不銹鋼雙極板的 接觸電阻測試圖[

Fig.1 Contact resistance test graph of316 stainless steel and Ag-coated 316 stainless steel bipolar plates[]

1.2 金屬氮化物和碳化物涂層

金屬氮化物和碳化物涂層（如TiN、CrN、TiCN等）具有良好的耐腐蝕性和優異的導電性，常被用于金屬雙極板的保護涂層。Wang 等[9-10]采用HiPIMS工藝在Ti基板上合成了不同 N₂ 流速下的納米結構TiN涂層。其中，表現最好的樣品的腐蝕電流密度為 0.278μA/cm²（0.5mol/LH₂SO₄+2×10^-6HF 70^qC ），在 140N/cm² 下，ICR值為 3.51mΩ?cm² 提高了Ti雙極板的耐腐蝕性和導電性。Haye 等[10]采用反應磁控濺射法在316L不銹鋼上沉積了H₂SO₄. 60 C ）中，涂層的腐蝕電流密度約為0.1μA/cm²（0.48V vs. SCE），在 100N/cm² 下，ICR值為 8.4mΩ?cm² 。此外，由透射電子顯微鏡圖[10]可知， CrN 涂層在大變形（ x 軸變形 20%，y 軸變形 5% ））后保持了優異的性能，說明此 CrN 涂層有望直接制備在金屬材料上進行雙極板沖壓。Yang 等[]利用Nb（IV） 熔融鹽的歧化反應，在430F不銹鋼表面制備了致密、無缺陷、黏附良好的納米晶 β-Nb₂N 涂層。在 -580mV 下，腐蝕電流密度為 0.037μA/cm² （24號（ HF， 70^°C ），在 140N/cm² 下，ICR值為 3.8mΩ?cm² 。Liu等[12]結合電泳沉積和熱處理的方法，在Ti基板上合成了一種具有連續電子通道和多孔結構的納米TiN-TiC復合涂層，相較于原TiN涂層，復合涂層在Ti表面會形成一個穩定的鈍化層 （TiO₂），TiO₂ 層可以防止材料進一步腐蝕（見圖2）。在模擬燃料電池環境中，在 140N?cm^-2 （20時，ICR 值為 1.71mΩ?cm² ，在 400°C 下制備的復合涂層的腐蝕電流密度為 1.41μA/cm²（0.5mol/L H₂SO₄+5×10^-6HF， ，比裸Ti的 （36.02μA/cm²） 低1個數量級。利用此雙極板組裝的燃料電池在工作條件為 時可極化超過 300h Gou等[13]通過電弧離子鍍層法在Ti板上制備了厚度為 500nm （204號的 N=Cr-C 三元薄膜，與純Ti板相比，涂層樣品在陰極和陽極環境下的腐蝕電流密度分別降低到0.022-0.051μA/cm²（0.5mol/LH₂SO₄+5×10^-6HF， 80° ），在 1.5MPa 時，ICR值為 1.15mΩ?cm² Jin 等[14]采用CFUMSIP工藝在316L不銹鋼基底上沉積了不同C含量的TiN和TiCN涂層。由X射線衍射可知，在TiN涂層中加入C促進了TiN（111）相向 Ti₂N（200） 相和 TiC_0.51N_0.12（006） 相的轉變，改善了單一TiN涂層存在柱狀晶體結構的問題，使表面更加光滑和致密，增加了基底的耐腐蝕性。與其他樣品相比， TiCN-2sccm （表示 C₂H₂ 氣體流速）樣品耐腐蝕性能最佳，腐蝕電流密度為 5.08×10^-2μA/cm² [0.5mol/LH₂SO₄+5×10^-6HF，（70±2）^°C]， 較基底低3個數量級。TiCN-2 sccm樣品的ICR值為 10mΩ?cm² 。Jin 等[15]采用CFUMSIP工藝在316L不銹鋼上沉積了不同C含量的CrAICN涂層，C摻雜降低了涂層鈍化膜中金屬陽離子孔的濃度，減少了腐蝕性負離子的吸附現象，提高了疏水性，C-8 sccm（表示C₂H₂ 氣體流速）涂層平衡了耐腐蝕性和導電性，在

227mV 下，腐蝕電流密度為 2.10×10^-2μA/cm² （0.5mol/LH₂SO₄+5×10^-6HF，（70±2）C， 在 140N/cm² 下，ICR值為 2.94mΩ?cm² 。綜上所述，金屬氮化物、金屬碳化物涂層的成本較低，制備工藝簡單，導電性較好，能有效防止金屬雙極板的腐蝕，具有良好的應用潛力。相比傳統的電沉積、CVD及PVD技術合成涂層，開發新工藝更有利于制備出具有耐腐蝕性的涂層。表面涂層金屬的柱狀生長現象導致涂層無法有效地遏制腐蝕性物質的遷移[1]。如何改善金屬的柱狀結構是今后金屬氮化物、金屬碳化物涂層研究中不容忽視的問題

圖2Ti基體上的TiN-C混合涂層[12]Fig.2 TiN-C hybrid coating on Ti substrate[12]

1.3 金屬氧化物涂層

金屬氧化物在酸性介質中具有較高穩定性并且相對于純金屬，其成本更低。但由于金屬氧化物的導電率較差，因此較少用于金屬雙極板的防腐涂層研究。通常采用摻雜元素的方法來提高金屬氧化物的電導率。Mohammadi等[17]采用電沉積法在316L不銹鋼襯底上沉積 PbO₂ 涂層，發現電沉積溶液中的F取代了氧化物晶格中的O，從而提高了 PbO₂ 的電導率。在PEMFC模擬溶液中的腐蝕電流密度降低了3倍，但由于存在 PbO₂/PbSO₄ 反應，涂層容易發生局部腐蝕。Park等[18運用等離子體技術對316不銹鋼進行表面預處理，然后采用電子回旋共振氣相沉積法制備了摻F的錫氧化物（FTO）涂層。經溫和的等離子體預處理后，具有多晶結構的FTO涂層比316不銹鋼具有更強的耐腐蝕性和更低的ICR值，在 150N?cm^-2 時，ICR值為 74mΩ?cm² ，當微波功率為 1000W 時的腐蝕電流密度為 6.64μA/cm²（1mol/LH₂SO₄+2× 10^-6HF，70^°C） 。Wang等[19]利用紡絲溶膠-凝膠法在316L不銹鋼表面成功制備了摻雜Nb的 TiO₂ 涂層。腐蝕電流密度從 26μA/cm² 下降到 0.13μA/cm²0 Δ0.1mol/LH₂SO₄，80ΔCΔ ），開路電壓比無涂層的316L不銹鋼高 200mV 以上。在 0.6V 靜電位極化條件下， Nb-TiO₂ 涂層在 30d 內表現出良好的化學穩定性。隨著Nb的摻入，純 TiO₂ 涂層樣品的ICR值明顯下降，在靜電位極化曲線測試中表現出更平穩的腐蝕電流，在數值上比316L不銹鋼低約41mΩ?cm² 。綜上，雖然摻雜方法可以提高金屬氧化物的電導率，但仍難以滿足DOE2025標準的要求，這是金屬氧化物作為金屬雙極板涂層存在的最大問題。

1.4 其他金屬基涂層

鋁合金雙極板具有質量輕、成本低、易加工等特點，在PEMFC未來發展趨勢中具有重要的應用潛力。采用適當的表面改性工藝制備涂層是提高鋁合金雙極板的耐腐蝕性和導電性的主要方法。Gonzalez-Gutiérrez 等[20]通過電沉積法在鋁合金6061（aluminumalloy6061，AA6061）上鍍NiP，研究發現NiP的沉積速度可以通過鋁表面鋅的含量來控制，鋅含量越高NiP沉積速率更快，沉積過程 pH 變化更大，從而影響NiP涂層的性質。電化學結果表明，NiP/鍍3層鋅的AA6061樣品具有較高的耐腐蝕性，相較于AA6061在 0.155V 陽極工作電壓下腐蝕電流密度降低到 8.3μA/cm²（0.5mol/LH₂SO₄） 0Zhang等[21]采用CFUMSIP技術在AA6061上鍍Ni-P/TiNO涂層，Ni-P中間層改善了TiNO外層的沉積效果（見圖3），增加了TiN相和 TiO_xN_y 相的含量。與原始樣品相比，在 -0.067V 陰極工作電壓下腐蝕電流密度降低到 0.0885μA/cm² 。帶有Ni-P/TiNO涂層的AA6061在 1.4MPa 下，接觸電阻為50.5mΩ/cm² 。因此，金屬磷化物涂層是應用于鋁合金雙極板上的一種有潛力的涂層材料，但部分涂層材料仍需進一步研究以優化導電性和耐腐蝕性。除此之外，研究表明 M_n+1AX_n（MAX） 相涂層因其具有自適應鈍化膜可提供良好的耐腐蝕性和電導率，是一種良好的涂層材料。Ma等[22]采用真空電弧和磁控濺射技術在316L不銹鋼上制備了不同取向的 Cr₂AlC MAX相涂層。測試結果表明，所有不同取向的 Cr₂AlC 涂層均顯著提高了316L不銹鋼的性能。其中，表現最好的涂層樣品在 1.5MPa 下的ICR值為 3.16mΩ?cm² ，最低腐蝕電流密度為0.02μA/cm²（0.5mol/LH₂SO₄+5×10^-6HF 80^°C ），相較于未涂層的316L不銹鋼明顯降低。從電化學性能和理論計算研究可以得到具有首選（103）取向的Cr₂AlC 涂層更容易在其表面形成氧化物鈍化膜，從而提高耐腐蝕性。綜上，表明了MAX相也是一種有前途的雙極板涂層材料

圖3Ni-P/TiNO 涂層的掃描電子顯微鏡橫截面貌圖[21] Fig.3SEM cross-section images of the Ni-P/TiNO coating [21]

2 碳基涂層

2.1 非晶碳涂層

非晶態碳（amorphouscarbon，a-C）涂層在金屬雙極板的表面改性領域被深入研究，非晶態碳涂層中含有較多的 sp²/sp³ 雜化碳，其中 sp³ 碳雜化物能有效地防止腐蝕性離子的腐蝕， sp² 碳有利于提高電導率，因此非晶態碳涂層具有良好的耐腐蝕性和導電性，是金屬雙極板涂層的理想候選材料。針對a-C涂層低沉積速率問題， Yu 等[23]采用沉積速率超過 100nm/min 的電弧離子電鍍技術，在鈦箔（TA1）表面快速沉積a-C薄膜。實驗結果表明， C_sp2 不飽和鍵和團簇的存在增強了界面電導性。在 1.4MPa 下，a-C 包覆的TA1的ICR 值降低到 1.125mΩ?cm² ，腐蝕電流密度約為 3.37×10^-3μA/cm²（pH=3H₂SO₄+ 0.1×10^-6HF，70^°C∴ 。此外，還成功沉積了大尺寸的a-C薄膜，說明通過此手段制備的a-C薄膜涂層可大批量涂層在金屬雙極板上，提供了實際應用的意義。為應對 a-C 涂層在PEMFC的工作環境中會被逐漸氧化的問題，人們通過摻雜金屬或非金屬元素調整 sp²/sp³ 比值進一步提高a-C涂層的耐腐蝕性能。Li等[24在316L不銹鋼上制備了摻雜不同含量的N的a-C涂層，N通過更強的共價鍵與C結合形成穩定的 CN_x 相，有利于減少a-C的懸垂鍵數，使薄膜更光滑、更致密，從而提高薄膜的穩定性。研究結果表明，摻雜氮有利于提高a-C的 sp² 組分，從而提高薄膜的界面電導率，最好的樣品在 1.4MPa 時，ICR值為 2.07mΩ?cm² 。Zhang等[25]采用CFUMSIP技術在316L不銹鋼上合成了摻雜Ag和Cr的a-C涂層。X射線光電子能譜（X-rayphotoelectronspectrometer，XPS）測試結果表明，隨著Ag和Cr的共同摻人， C_sp2 的含量增加，有助于提高a-C 涂層的電導率， Ag 和 Cr 摻雜a-C涂層 （a-C/Ag/Cr） 在 1.4MPa 下，ICR 值為 0.87mΩ?cm² 。Mi等[2采用磁控濺射法在316L不銹鋼上制備了 Cr 和 Ti共摻雜的a-C涂層，結合XPS結果發現，Ti含量的增加導致晶界減小，涂層表面更平整， C_sp2 含量升高，電導率增加。與單摻雜Cr的非晶碳相比，摻雜 Cr 、Ti的非晶碳薄膜表現出更好的耐腐蝕性及導電性，在1.4MPa 下，ICR 值為 3.1mΩ?cm² ，腐蝕電流密度為 5.7×10^-2μA?cm^-2（0.5mol/LH₂SO₄+2×10^-6HF 70% ）。Mi等[2采用磁控濺射技術在316L不銹鋼上沉積了3層摻雜 a-C/CrN/Ti 薄膜，Ti作為摻雜元素加入到 a-C 中，隨著Ti摻雜含量的增加， sp² 與sp³ 的比值增大，a-C膜逐漸轉變為碳化鈦基質膜，其中，表現最好的涂層樣品的腐蝕電流密度為 7.1× 10^-2μA/cm²（0.5mol/LH₂SO₄+2×10^-6HF，70%） 見圖4），在 1.4MPa 下，ICR 值為 2.9mΩ?cm² 。

2.2 石墨烯涂層

石墨烯是由六角形碳原子組成的單層材料，具有優異的化學穩定性和出色的機械強度。一方面，石墨烯具有極高的電荷載流子遷移率和熱導率；另一方面，石墨烯的不滲透性可保護金屬免受腐蝕和氧化，是一種極具應用潛力的金屬雙極板涂層材料。 Yu 等[28]運用了等離子體增強化學氣相沉積法在鈦板上直接生長垂直石墨烯（verticalgraphene，

圖4摻雜不同含量Ti的 a-C/CrN/Ti 樣品的動電位極化曲線[27]Fig.4Kinetic potential polarisation curves of a-C/CrN/Ti samples doped with different contents of Ti[27]

VG）涂層，與未涂層的鈦板相比，VG涂層鈦合金的腐蝕電流密度下降至 0.2μA/cm²（0.5mol/LH₂SO₄+ 2×10^-6 HF， 80^°C ），ICR降低了2個數量級，熱導率提高了100倍，水接觸角增加了 68.1^° 。以上結果表明，高疏水性VG涂層可抑制腐蝕性液體的滲透，有效提高鈦板的耐腐蝕性及導電性。Wang等[29]采用還原正脈沖伏安法在鈦板上電沉積氧化石墨烯（grapheneoxide，GO），成功合成了石墨烯涂層。該涂層的腐蝕電流密度為 0.25μA/cm²（ 0.5mol/L H₂SO₄+2×10^-6HF . 70% ），腐蝕電勢為 50mV ；在150N/cm² 下，ICR 值為 4mΩ?cm² 。Sadeghian等[30]通過使用十八胺（octadecylamine，ODA）對GO 進行表面官能化和還原，采用水熱法成功合成了G-ODA-TiO₂ 復合材料，最后通過電泳沉積技術將其涂覆在銅基底上。采用 G-ODA-TiO₂ 涂層的銅金屬板的腐蝕電流約為 0.04μA/cm²（0.5mol/LH₂SO₄） ！與水接觸角增加至 130^° ，表明在石墨烯中引入ODA 可以進一步提高涂層的導電性能。Mandal 等[31]通過電泳沉積法在304不銹鋼上制備了GO涂層，改善了304不銹鋼雙極板的腐蝕問題。石墨烯基涂層在金屬雙極板上的應用較少，主要是因為石墨烯在制備過程中對原料處理及工藝操作的要求較高。因此，需要進一步研究石墨烯降解的失效機制，并在生產過程中應采取有效的控制措施，以推動石墨烯基金屬雙極板的應用進展。

3 導電聚合物涂層

導電聚合物，如聚吡咯（polypyrrole，PPy）、聚苯胺（polyaniline，PANI）及其衍生物，具有優異的化學物理穩定性和高導電性，在金屬防腐領域具有很大的發展潛力。可以調整單分子層聚合物涂層中的扎隙結構，從而提高其耐腐蝕性。Chen 等[32]采用循環伏安法在304不銹鋼上成功電聚合了帶有功能化碳粉的聚吡咯涂層（PPy/C-PDA），在模擬PEMFC環境 （0.1mol/LH₂SO₄） 中，PPy/C-PDA涂層的腐蝕電勢和腐蝕電流密度分別為 142mV 和 相較于無涂層樣品，腐蝕電流密度降低了2個數量級，并且在極化 720h 時表現出較好的長期耐腐蝕性。Jiang 等[33]采用原位電沉積法在304不銹鋼上沉積了聚吡咯-氧化石墨烯（PPy-GO）復合涂層，PPy基體中GO的存在提高了涂層的附著力，與原始PPy相比，導電性PPy-GO復合涂層在靜電位極化過程中顯著降低了304不銹鋼的腐蝕電流密度，使304不銹鋼具有更強的長期腐蝕保護能力。Bian等[34采用電沉積和輥涂相結合的方法在304不銹鋼上制備 PPy/Ti₃C₂T_x-AE （acrylic epoxy，AE）雙層涂層，該涂層由電聚合PPy 內層和 Ti₃C₂T_x. （204AE外層組成，在 0.2mol/LHCl 中，腐蝕電勢和腐蝕電流密度分別為 38mV 和 9.27×10^-3μA/cm² ，明顯優于單一PPy涂層和 Ti₃C₂T_x 涂層， （204AE涂層在鹽酸溶液中極化 600h 后仍具有良好的耐腐蝕性。Sun等[35]采用電沉積法將經苯磺酸（benzenesulfonic acid，BSA）改性的 GO 增強 PPy 涂層 ?SGO₃/PPy） 沉積在304不銹鋼上（見圖5），在 80^°C 的 0.1mol/LH₂SO₄ 中， SGO₃/PPy 涂層的動電位腐蝕電流密度值為 0.18μA/cm² ，靜電位腐蝕電流密度為 1.27μA/cm² ，電導率為 13.17S/cm 。 Yu 等[3采用脈沖電沉積法在316不銹鋼上制備了緊湊型聚苯胺-碳納米管（PANI/CNTs）復合涂層。采用脈沖電沉積技術制備的PANI涂層比直流電沉積更均勻、更緊湊。在復合碳納米管后，PANI涂層的壓實性、耐腐蝕性和導電性進一步提高。與單一PANI涂層相比，PANI/CNTs復合涂層的腐蝕電勢增加了約78mV ，腐蝕電流密度降低了1個數量級，約為1.9μA/cm² ，ICR值降低了 35% 。綜上，目前的導電聚合物涂層不能完全達到DOE標準，在PEMFC環境中的應用研究還未成熟，還需進一步研究，涉及摻雜劑的選擇，改善涂層在PEMFC環境中存在的耐腐蝕性較差、導電率較低等問題

圖5304不銹鋼上沉積 SGO₃/PPy 涂層工藝原理圖[32] Fig.5 Schematic diagram of the process of depositing SGO3/PPy coating on 304Ss[32]

4結論

本文綜述了近年來國內外在質子交換膜燃料電池（PEMFC）中不同種類金屬雙極板涂層防腐保護方面取得的研究成果。在國內外研究者的努力下，金屬雙極板涂層研究已取得一定進展，大部分金屬雙極板的耐腐蝕性和導電性在一定程度上已能達到美國能源部（DOE）2025年的技術目標。然而，受限于工藝復雜程度、涂層成本及穩定性難以統一等問題，目前仍無法實現規模化應用。例如，金屬氧化物及金屬磷化物涂層需進一步提高導電率，而導電聚合物涂層則需要同時增強其防腐蝕性能和導電性能。

綜上所述，雙極板涂層的未來發展需要關注以下幾個方面：首先，通過添加摻雜劑、材料復合（如采用多層涂層）及開發新工藝，進一步提高雙極板的耐腐蝕性能和電導率；同時，還需考慮簡化生產工藝、降低生產成本。其次，涂層工藝的實施與設備密切相關。國產涂層設備功能雖逐漸完善，但提高精度和準確度仍是未來努力的方向。再次，目前研究中對金屬雙極板涂層腐蝕性能的測試溶液和條件參差不齊，造成性能比較困難及難以實際應用。應增強行業標準規范，統一測試條件，盡可能在接近實際工況的條件下進行測試。最后，當前缺乏長期耐久性測試。燃料電池實際應用需要長期運行，這可能導致涂層在長期腐蝕過程中發生脫落、降解等問題，進而導致PEMFC性能下降。因此，長期穩定性試驗是金屬雙極板規模化應用的最大挑戰。

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（編輯：畢莉明）