燃料電池金屬極板鉻碳摻雜氮化鈦膜性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)可以直接將氫能轉(zhuǎn)化成電能，具有清潔、高效和能源可再生的優(yōu)勢(shì)，有望應(yīng)用于汽車、固定電站和航空航天等領(lǐng)域。雙極板支撐電堆骨架并分配反應(yīng)氣體流場(chǎng)，是PEMFC的核心部件之一。基于沖壓成形的金屬雙極板加工效率高、價(jià)格低廉、厚度超薄，已成為降低燃料電池制造成本的優(yōu)選方式。然而，金屬極板在燃料電池高溫、高濕和酸性環(huán)境下的腐蝕現(xiàn)象影響極板壽命；同時(shí)極板表面產(chǎn)生的鈍化層又增大接觸電阻，降低電池效率。迫切需要對(duì)金屬極板進(jìn)行

2、表面改性，使其兼顧耐蝕性和導(dǎo)電性，為燃料電池金屬極板應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　本文基于非平衡磁控濺射離子鍍(CFUBMSIP)技術(shù)開(kāi)發(fā)了燃料電池金屬極板鉻碳摻雜氮化鈦膜系，研究了鍍膜工藝參數(shù)對(duì)鍍層性能影響規(guī)律。首先，以氮化鈦?zhàn)鳛榛A(chǔ)膜系，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)方法研究了濺射偏壓和OEM值對(duì)鍍層性能的影響規(guī)律，進(jìn)而基于正交實(shí)驗(yàn)方法獲得優(yōu)選工藝參數(shù)，制備了優(yōu)化的氮化鈦膜。其次，考慮鉻元素的耐蝕性和碳元素導(dǎo)電性，設(shè)計(jì)并制備鉻碳梯度涂層，實(shí)驗(yàn)研究鉻碳涂

3、層的耐蝕性和導(dǎo)電性，并通過(guò)物相分析揭示鉻碳膜的耐蝕和導(dǎo)電機(jī)理。最后，分別研究鉻元素、碳元素以及鉻碳共同摻雜下氮化鈦膜的性能，通過(guò)物相分析解釋元素?fù)诫s對(duì)基礎(chǔ)膜系性能的影響規(guī)律，獲得燃料電池金屬極板鉻碳摻雜氮化鈦膜最優(yōu)工藝參數(shù)和成分配比。論文主要研究工作如下：
　　1）燃料電池金屬極板氮化鈦膜實(shí)驗(yàn)研究
　　基于氮化鈦膜與不銹鋼金屬極板具有良好的結(jié)合性能，采用單因素分析方法研究了濺射偏壓在30V-90V區(qū)間，OEM在45％-75%

4、區(qū)間的氮化鈦膜性能，獲得了濺射偏壓和OEM值對(duì)鍍層性能的影響規(guī)律。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，依據(jù)能譜分析結(jié)果，借助Minitab軟件討論工藝參數(shù)對(duì)鍍層成分的影響，獲得了工藝參數(shù)對(duì)氮化鈦膜中原子百分比和質(zhì)量百分比的均值響應(yīng)表和均值主效應(yīng)圖。進(jìn)而研究工藝參數(shù)對(duì)膜厚、結(jié)合力、耐腐蝕能力、導(dǎo)電性能的影響，獲得氮化鈦膜優(yōu)化的鍍膜時(shí)間、濺射偏壓、OEM值等工藝參數(shù)。
　　2）鉻碳膜耐腐蝕和導(dǎo)電性能研究
　　考慮鉻元素的耐蝕

5、性和碳元素導(dǎo)電性，設(shè)計(jì)了燃料電池金屬極板鉻碳梯度涂層，開(kāi)展了工藝實(shí)驗(yàn)，研究了不同鉻靶和碳靶電流比例對(duì)鉻碳膜的性能影響。發(fā)現(xiàn)隨著鉻靶電流的增大，鉻碳膜的耐蝕性和導(dǎo)電性逐漸下降。同時(shí)，針對(duì)不銹鋼表面鉻碳涂層開(kāi)展掃描電鏡、物性結(jié)構(gòu)XRD和化學(xué)價(jià)態(tài)XPS分析，建立了鍍層成分和物相結(jié)構(gòu)與鍍層性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)鉻碳鍍層中鉻元素的引入使得膜的耐腐蝕能力得到增強(qiáng)，而石墨相含量的增加則決定了膜的導(dǎo)電性能的提高。與氮化鈦膜的性能比較，鉻碳膜在耐蝕性和導(dǎo)電

6、性方面具有較好的性能，為本文的鉻碳摻雜氮化鈦膜奠定了理論基礎(chǔ)。
　　3）鉻碳摻雜的氮化鈦膜物性研究與性能優(yōu)化
　　在上述氮化鈦和鉻碳膜系研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)鉻碳摻雜的氮化鈦膜層結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)鉻碳摻雜的氮化鈦工藝方法。分別研究鉻元素、碳元素以及鉻碳共同摻雜下氮化鈦膜的性能，通過(guò)物相分析解釋元素?fù)诫s對(duì)基礎(chǔ)膜系性能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)摻雜碳元素后，所得的鈦氮碳膜的耐腐蝕性能有所提高但導(dǎo)電性能下降，主要由于鈦氮碳膜中沒(méi)有出現(xiàn)無(wú)定形碳，而是出現(xiàn)了

7、少量新的物相CNx；摻雜鉻元素后，鉻鈦氮膜耐腐蝕能力和導(dǎo)電性能均得到較大的提高，其中2A時(shí)，Tafel腐蝕電流達(dá)到了4.08 e-8 A cm-2，接觸電阻值在1.5MPa時(shí)為2.3 mΩcm2；同時(shí)摻雜鉻碳元素后，膜變成絕緣物質(zhì)，XRD結(jié)果表明膜成分中出現(xiàn)了C-N物相結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了膜的絕緣。因此，針對(duì)燃料電池金屬雙極板應(yīng)用，在氮化鈦膜中加入少量的鉻元素，膜的性能有很大提高，碳元素不適合摻入氮化鈦膜中。
　　本文圍繞燃料電池金屬極板