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燃料电池金属双极板电弧离子镀薄膜改性研究

吴博  
【摘要】: 双极板是质子交换膜燃料电池中的重要部分,占整个电池重量和成本的绝大部分,双极板的性能直接影响了燃料电池的性能。理想的双极板要具有良好的导电性能和机械加工性能,同时还要有好的耐腐蚀能力。 金属双极板通常具有良好的导电性能和机械加工性能,是双极板材料的首选。但是金属双极板在燃料电池工作环境下的耐腐蚀能力较差,腐蚀产物会使双极板产生较大的接触电阻,从而导致燃料电池整体性能下降。通过表面沉积薄膜来改变金属的表面性能,是解决问题的有效方法,目前的研究重点集中在降低接触电阻和提高耐腐蚀性能两个方面。 金属具有良好的导电性是因为金属中含有大量的可移动的自由电子,然而金属的化学腐蚀和电化学腐蚀也是金属原子失去较活波的自由电子后,生成金属阳离子的过程。所以材料的耐蚀性和导电性是矛盾的两个方面,使金属板同时具备良好的导电性和耐腐蚀性能除金、银等几种贵金属外,在一般材料中很难兼得。 本文用电弧离子镀方法在不锈钢薄板双极板表面沉积制备廉价金属及其氮化物薄膜,进行金属双极板的表面镀膜改性研究。首先根据金属双极板的使用要求选择金属Cr和Ni、Cr作为主流导电材料,并通过薄膜的氮化及其结构的合理设计来提高改性层的耐腐蚀性能。即在304不锈钢薄板表面采用脉冲偏压电弧离子镀工艺沉积Cr-N多层和Ni-Cr-N多层两个系列的复合薄膜。其设计依据为纯金属薄膜层将起到减小接触电阻的作用,而氮化的金属薄膜层将起到耐腐蚀的作用,其综合性能期望能够达到导电、耐蚀复合改性的作用。 对沉积薄膜的表面粗糙度、硬度、表面形貌、结构、膜基结合力、接触电阻和电化学腐蚀性能进行了测试。结果表明Cr-N多层复合薄膜能够有效地提高不锈钢双极板的耐腐蚀性能,与原始不锈钢降低了2个数量级;接触电阻也大幅度下降,与原始不锈钢相比降低了1个数量级。而Ni-Cr-N多层复合薄膜的接触电阻最小,接近了实际应用的程度,耐腐蚀能力也比原始不锈钢有所提高。两种薄膜都具有替代电镀银工艺的潜力。


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