燃料電池金屬極板鉻碳摻雜氮化鈦膜性能研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池(PEMFC)可以直接將氫能轉化成電能，具有清潔、高效和能源可再生的優(yōu)勢，有望應用于汽車、固定電站和航空航天等領域。雙極板支撐電堆骨架并分配反應氣體流場，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；同時極板表面產生的鈍化層又增大接觸電阻，降低電池效率。迫切需要對金屬極板進行

2、表面改性，使其兼顧耐蝕性和導電性，為燃料電池金屬極板應用奠定基礎。
　　本文基于非平衡磁控濺射離子鍍(CFUBMSIP)技術開發(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)對鍍層性能影響規(guī)律。首先，以氮化鈦作為基礎膜系，通過單因素實驗方法研究了濺射偏壓和OEM值對鍍層性能的影響規(guī)律，進而基于正交實驗方法獲得優(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電性，設計并制備鉻碳梯度涂層，實驗研究鉻碳涂

3、層的耐蝕性和導電性，并通過物相分析揭示鉻碳膜的耐蝕和導電機理。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，通過物相分析解釋元素摻雜對基礎膜系性能的影響規(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驗研究
　　基于氮化鈦膜與不銹鋼金屬極板具有良好的結合性能，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值對鍍層性能的影響規(guī)律。以此為基礎，設計了三因素三水平正交實驗，依據(jù)能譜分析結果，借助Minitab軟件討論工藝參數(shù)對鍍層成分的影響，獲得了工藝參數(shù)對氮化鈦膜中原子百分比和質量百分比的均值響應表和均值主效應圖。進而研究工藝參數(shù)對膜厚、結合力、耐腐蝕能力、導電性能的影響，獲得氮化鈦膜優(yōu)化的鍍膜時間、濺射偏壓、OEM值等工藝參數(shù)。
　　2）鉻碳膜耐腐蝕和導電性能研究
　　考慮鉻元素的耐蝕

5、性和碳元素導電性，設計了燃料電池金屬極板鉻碳梯度涂層，開展了工藝實驗，研究了不同鉻靶和碳靶電流比例對鉻碳膜的性能影響。發(fā)現(xiàn)隨著鉻靶電流的增大，鉻碳膜的耐蝕性和導電性逐漸下降。同時，針對不銹鋼表面鉻碳涂層開展掃描電鏡、物性結構XRD和化學價態(tài)XPS分析，建立了鍍層成分和物相結構與鍍層性能的對應關系。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，而石墨相含量的增加則決定了膜的導電性能的提高。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。
　　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上，設計鉻碳摻雜的氮化鈦膜層結構，開發(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，通過物相分析解釋元素摻雜對基礎膜系性能的影響規(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電性能下降，主要由于鈦氮碳膜中沒有出現(xiàn)無定形碳，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電性能均得到較大的提高，其中2A時，Tafel腐蝕電流達到了4.08 e-8 A cm-2，接觸電阻值在1.5MPa時為2.3 mΩcm2；同時摻雜鉻碳元素后，膜變成絕緣物質，XRD結果表明膜成分中出現(xiàn)了C-N物相結構，導致了膜的絕緣。因此，針對燃料電池金屬雙極板應用，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