第十四届全国表面工程大会

燃料电池钛双极板的设计与制备
陈君益
西南大学新薄膜材料与器件中心，重庆
摘要：
近年来，由于能源消耗和资源枯竭的影响，燃料电池技术以其高效、低污染的特点受到广泛的关注。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种不需要燃烧即通过电化学反应发电的装置^[1]。 PEMFC作为一种新型的清洁能源，不仅可以满足新能源电动汽车的高功能需求，而且也适用于电子器件等小功率设备^{[2, 3]}。此外，PEMFC还具有低温、低压、启停时间短、噪音低、效率高等优点^{[4, 5]}。因此，PEMFC在节能领域具有很大的发展前景^[6]。
金属钛双极板因为其良好的导电性、优异的耐腐蚀性能以及机械强度高、导热性能好的优点受到了广泛的研究。但是，纯钛材料在燃料电池的酸性环境中极易发生腐蚀，导致接触电阻增大，直接降低了PEMFC的性能和寿命。为解决上述问题，采用反应直流磁控溅射技术，在纯钛表面制备NbN改性薄膜，先沉积Ti金属过渡层并对其表面进行氩等离子体注入处理。研究表明，在模拟燃料电池的工作环境中（0.5mol/L H₂SO₄+2ppmHF,80℃）下将纯钛的腐蚀电流密度由10^-4A/cm²提升至10^-7A/cm²,同时在1.4Mpa的压实力下表面接触电阻在施加膜层后低于20mΩ·cm²,达到了美国能源部对于金属双极板的导电以及腐蚀性能测试要求，可见，该改性薄膜在燃料电池双极板上具有良好的应用前景。
关键词：双极板，燃料电池，磁控溅射
参考文献：
[1]Liu, R., et al., Protective coatings for metal bipolar plates of fuel cells: A review. International Journal
of Hydrogen Energy, 2022. 47(54): p. 22915-22937.
[2]Chaiwan, P. and J. Pumchusak, Wet vs. Dry Dispersion Methods for Multiwall Carbon Nanotubes in the High Graphite Content Phenolic Resin Composites for Use as Bipolar Plate Application. Electrochimica Acta, 2015. 158: p. 1-6.
[3]Zhao, J. and X. Li, A review of polymer electrolyte membrane fuel cell durability for vehicular applications: Degradation modes and experimental techniques. Energy Conversion and Management, 2019. 199.
[4]Peng, L., P. Yi, and X. Lai, Design and manufacturing of stainless steel bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 2014. 39(36): p. 21127-21153.
[5]Yu, Y., et al., Comparison of degradation behaviors for open-ended and closed proton exchange membrane fuel cells during startup and shutdown cycles. Journal of Power Sources, 2011. 196(11): p. 5077-5083.
[6]Chen, H., et al., The reactant starvation of the proton exchange membrane fuel cells for vehicular applications: A review. Energy Conversion and Management, 2019. 182: p. 282-298.

 

双极板，燃料电池，磁控溅射