采用等離子體磁控濺射的方法在304 不銹鋼雙極板表面沉積出致密均勻的Cr 層和Cr2N 層。運(yùn)用X 射線衍射、俄歇電子能譜、掃描電鏡、界面接觸電阻測試和動電位極化等方法, 研究了表面鍍層對不銹鋼雙極板導(dǎo)電和耐腐蝕性能的影響。結(jié)果表明, 經(jīng)過鍍氮化鉻層后的雙極板界面導(dǎo)電性能良好, 在質(zhì)子交換膜燃料電池( PEMFC) 電堆裝載壓力下, 界面接觸電阻為20 m歐.cm2, 與未鍍層相比降低了約70%。雙極板的耐腐蝕性能也有顯著的增強(qiáng): 在模擬PEMFC 環(huán)境中, 腐蝕電位提高了約300 mV, 腐蝕電流降低了約1 個數(shù)量級。

　　質(zhì)子交換膜燃料電池( PEMFC) 是一種可以將氫氣和氧氣中的化學(xué)能, 通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置, 被認(rèn)為是21 世紀(jì)最有發(fā)展前景的高效清潔發(fā)電技術(shù)。雙極板是PEMFC 的最關(guān)鍵部件之一, 它不但影響電池的性能, 而且占據(jù)了電池60% ~ 70%的成本。不銹鋼雙極板具有導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、資源豐富、成本低、強(qiáng)度高等優(yōu)點, 可以提高燃料電池的比功率。但是不銹鋼材料在燃料電池運(yùn)行環(huán)境下將面臨溶解或鈍化等腐蝕問題。因此, 有必要在不銹鋼雙極板的表面形成導(dǎo)電且耐腐蝕的覆蓋層, 對不銹鋼材料雙極板進(jìn)行表面改性處理。

　　鉻的氮化物具有良好的耐蝕性和導(dǎo)電性, 在不銹鋼表面形成上述化合物是非常有前途的改性方法。Nam 和Lee通過在316L 表面先鍍鉻再進(jìn)行氮化的方法得到的Cr2N 層具有良好的表面接觸電阻和耐蝕性。Fu 等認(rèn)為CrxN 涂層能提高316L 的耐腐蝕性能, 同時其高表面能還有利于燃料電池的水管理。Yang B 等發(fā)現(xiàn), 不銹鋼表面鍍鉻氮化合物, 雙極板內(nèi)部不會氮化, 只是改變了表面的材料以達(dá)到所需的性能。M. P. Brady 等在不同氮化條件下對N-i Cr、Fe-Cr 合金進(jìn)行氣體氮化, 在表面形成了形態(tài)、結(jié)構(gòu)不同的氮化物, 并在N-i 50Cr 合金上制備出了無缺陷的Cr 的氮化物, 其耐腐蝕性能和導(dǎo)電性能都有較大提高。吳博等通過電弧離子鍍方法在不銹鋼雙極板沉積了一系列Cr1- xNx 改性薄膜, 鍍膜處理后的不銹鋼導(dǎo)電性和耐腐蝕性能都有較大提高。

　　磁控濺射法是近年發(fā)展非常迅速的一種表面改性工藝, 磁控濺射法屬于輝光放電范疇, 利用陰極濺射原理進(jìn)行鍍膜, 可以通過磁過濾器有效減少或消除大顆粒, 在基體上形成光滑、堅硬和致密均勻的鍍層。本文利用等離子體磁控濺射工藝, 在304 不銹鋼( SS304) 表面沉積了致密均勻的Cr 層和Cr2N層, 并對鍍層的結(jié)構(gòu)、成分、界面導(dǎo)電性能和在模擬PEMFC 環(huán)境下的耐腐蝕性能等進(jìn)行了測試和分析,為研究性能好、成本低的燃料電池雙極板提供了一個新思路。

　　結(jié)論

　　(1) 應(yīng)用等離子體磁控濺射的方法在304 不銹鋼表面沉積了Cr 層和Cr2N 層。

　　(2) 鍍氮化鉻層后的雙極板在PEMFC 電堆裝載壓力(1.5MPa) 下, 界面接觸電阻為20 m歐.cm2, 與未鍍層相比降低了約70%。

　　(3) 經(jīng)過鍍鉻滲氮改性后的雙極板具有良好的耐腐蝕性能, 在模擬PEMFC 環(huán)境中, 腐蝕電位提高了約300 mV, 腐蝕電流降低了約1 個數(shù)量級。