C/CrN多层梯度膜的制备与性能研究

The corrosion resistance and surface conductivity are two important factors gauging the performance of bipolar plate materials in polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). In this project, we apply close field unbalance magnetron sputtering ion plating technology to deposit corrosion resistant and electrically conductive C/CrN graded multilayer on stainless steel 316L. The effects of the state of sputtered ions on the phase interface on the microstructure of C/CrN graded multilayer are investigated to accurately control the growth and microstructure of thin film. The relationship between the microstructure and the properties (corrosion resistance and conductivity) of C/CrN graded multilayer is revealed to build the design principles of corrosion resistant and electrically conductive C/CrN graded multilayer. Finally, we will fabricate C/CrN graded multilayer on stainless steel bipolar plate and evaluate the performance of C/CrN graded multilayer coated stainless steel bipolar plate in real PEMFC working condition.

耐腐蚀和表面导电性能不足是不锈钢材料应用于质子交换膜燃料电池双极板的两个关键障碍。针对这一问题，本项目提出采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术在316L不锈钢表面制备低内应力、导电耐蚀的致密C/CrN多层梯度膜的思路。研究相界面溅射离子状态对薄膜微观组织结构的影响机制，获得薄膜组织结构的精确控制方法；研究C/CrN多层梯度膜微观组织结构对腐蚀行为和导电机制的影响规律，建立制备耐腐蚀、强导电C/CrN多层梯度膜的设计原则；在具有流道的不锈钢双极板表面沉积C/CrN多层梯度膜，考量其在燃料电池真实工作环境中的适用性。本项目的研究成果将为研制适合不锈钢双极板表面改性的新型镀层体系提供理论和技术指导。

质子交换膜燃料电池被认为是用于车载能源和分布式发电站的理想新能源装置。要进一步推动质子交换膜燃料电池的应用甚至替代传统的能源设备，一些关键部件的耐久性和成本问题亟待解决，其中较为关键的便是双极板材料。然而，应用最广泛的不锈钢双极板的耐腐蚀性能和表面导电性能还不能满足性能要求。.本项目提出了C/CrN多层梯度膜的思路，并揭示了溅射工艺对薄膜微观组织结构的影响机制，获得薄膜组织结构的精确控制方法；阐明了C/CrN多层梯度膜微观组织结构对腐蚀行为和导电机制的影响规律，建立了制备耐腐蚀、强导电C/CrN多层梯度膜的设计原则；测试了C/CrN多层梯度膜在燃料电池真实工作环境中的性能。.项目进展顺利，完成了项目计划书中的研究内容和目标，并获得了满足性能要求的C/CrN多层梯度膜。项目执行期间共计发表SCI论文9篇，其中2篇发表在能源与燃料领域顶级SCI期刊Journal of Power Sources上；获得国家发明专利授权1项；培养博士研究生1名，硕士研究生2名。.重要研究结果包括：当CrN薄膜中CrN和Cr2N相比例为1:1时，CrN薄膜结构致密，耐腐蚀性能0.14 μA/cm2和表面导电性能9.3 mΩ cm2达到最优。CrN薄膜的优化参数是沉积偏压-60V，Cr靶材电流5A，沉积厚度0.5 μm。致密度和内部价键结合对碳膜的性能有着重要的影响。碳膜内sp2含量越高，越有利于碳膜表面导电性的提高。基体偏压对碳膜耐蚀性和导电性存在最优值。随着靶电流的降低，碳膜的致密度及膜基结合强度提高，碳膜的耐蚀性提高，表面导电性先升高后降低。优化后ICR值降低到4.92 mΩ cm2，腐蚀电流密度降低至2.1 μA cm-2。分别采用优化的CrN和碳膜沉积工艺，对C/CrN多层梯度膜的结构和过渡层进行优化设计。发现CrN厚度0.5μm、碳膜厚度0.5μm即可保证耐腐蚀性能优异且耐久。对过渡层时间进行优化，当过渡时间为15min时，既可保证多层梯度膜的充分过渡和膜基结合力，又可以获得最优的耐腐蚀性能和表面导电性能。将优化的C/CrN多层梯度膜沉积在具有流道的不锈钢双极板上进行燃料电池装堆测试，燃料电池的峰值功率密度提高了1.5倍，同时工作500h的电流密度下降降低了约17倍。本项目的研究成果为研制适合不锈钢双极板表面改性的C/CrN新型镀层体系提供了系统的理论和技术参考。