科研進(jìn)展
蘭州化物所燃料電池雙極板防護涂層研究取得系列進(jìn)展
燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉換成電能的化學(xué)裝置，又稱(chēng)電化學(xué)發(fā)電器。燃料電池具備運行中零排放、高效率等優(yōu)異特性，是我國在交通運輸領(lǐng)域實(shí)現低碳排放的重要技術(shù)之一。雙極板是氫燃料電池三大核心部件之一，其主要作用包括收集燃料電池產(chǎn)生的電流、向電極供應反應氣體、阻止兩極之間反應物質(zhì)的滲透，并支撐加固燃料電池。然而，由于燃料電池的酸性工作環(huán)境，雙極板易發(fā)生腐蝕。因此，開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良的導電性、耐腐蝕性的新型雙極板始終是該領(lǐng)域的一項重要任務(wù)。
近年來(lái)，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所先進(jìn)潤滑與防護材料研究發(fā)展中心納米潤滑課題組致力于新型氫氣、甲醇和磷酸燃料電池用雙極板薄膜/涂層設計、工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)，取得了系列研究進(jìn)展。
針對碳薄膜沉積效率低、導電性能差的難題，團隊通過(guò)催化反應磁控濺射法，成功制備了一系列導電耐蝕碳薄膜（圖1）。依靠橋接的納米銅團簇和石墨烯狀碳結構在體相中構成了一個(gè)空間網(wǎng)絡(luò )，賦予樣品良好的導電性。同時(shí)，橋接的納米銅團簇被石墨烯狀碳結構和無(wú)定形碳團簇隔離，從而保護了納米銅團簇不與腐蝕性液體接觸，賦予了樣品優(yōu)異的耐腐蝕性能。相關(guān)結果以“Electronic conductive and corrosion mechanisms of dual nanostructure CuCr-doped hydrogenated carbon films for SS316L bipolar plates”為題發(fā)表在Materials Today Chemistry（2021, 21, 100521; DOI: 10.1016/j.mtchem.2021.100521）上。
圖1 CrCu摻雜的導電耐蝕碳薄膜制備過(guò)程，電化學(xué)性能及導電耐蝕機制
研究人員發(fā)現CrN薄膜具有優(yōu)異的耐蝕性、導電性和低成本特性，但CrN薄膜的制備窗口很窄，很少有薄膜能同時(shí)滿(mǎn)足DOE 2025關(guān)于的接觸電阻和腐蝕電流密度的標準，這顯然不足以實(shí)現雙極板的商業(yè)化。為了解決這些問(wèn)題，研究人員提出了非晶納米晶彌散結構，來(lái)突破導電和耐腐蝕相統一的矛盾。通過(guò)高功率微脈沖磁控濺射在寬N2/Ar比（4-10%）條件下沉積了具有高導電性（最低可達6.14 mΩ·cm2 at 1.4 MPa）和強耐蝕性（腐蝕電流密度均小于1 μA·cm-2，最低可達0.086 μA·cm-2）的CrN膜。結果表明，得益于HiPIMS高的等離子體密度和離子能量，可以調控高金屬特性和穩定性的Cr2N生長(cháng)，賦予薄膜良好的導電性，同時(shí)可抑制CrN膜柱狀結構的生長(cháng)，形成非晶包裹的Cr2N納米團簇的空間網(wǎng)絡(luò )結構，極大提高了薄膜的耐腐蝕性（圖2）。相關(guān)結果以“Nano-Cr2N dominated films with high conductivity and strong corrosion resistance for Ti bipolar plates”為題發(fā)表在Materials & Design（2022, 224(6), 111305; DOI: 10.1016/j.matdes.2022.111305）上。
圖2 HiPIMS制備一種高導電、強耐蝕的CrN薄膜及其性能分析
另外，研究人員通過(guò)高功率磁控濺射(HiPIMS)制備了一種TiN薄膜，系統研究了氮氣流速對所沉積薄膜的表面微觀(guān)結構、耐蝕性、表面電導率和水接觸角的影響。由于氮氣流量的改變造成分子氣體內部自由度的變化而影響動(dòng)能，從而影響TiN的成核和生長(cháng)，進(jìn)而影響TiN薄膜的表面微觀(guān)結構。通過(guò)織構系數、晶粒尺度的計算進(jìn)一步論證，入射粒子的動(dòng)能是控制TiN涂層擇優(yōu)取向和結晶度的重要因素（圖3）。這一工作進(jìn)一步證實(shí)了高能等離子調控可以實(shí)現寬工藝（N2/Ar比（4-10%））范圍內實(shí)現導電、耐腐蝕的統一。相關(guān)結果以“Adjustable TiN coatings deposited with HiPIMS on titanium bipolar plates for PEMFC”為題發(fā)表在International Journal of Hydrogen Energy（2022; DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.09.066）上。
圖3 N2流速對TiN薄膜生長(cháng)的影響機制
近日，團隊對燃料電池金屬雙極板的保護薄膜/涂層性質(zhì)、材料合成方法及應用進(jìn)行了展望性評述，以“Protective coatings for metal bipolar plates of fuel cells: A review”為題發(fā)表在International Journal of Hydrogen Energy（2022, 47, 22915-22937; DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.05.078）上。
圖4 燃料電池雙極板的發(fā)展歷程
團隊目前在燃料電池雙極板薄膜/涂層方面獲得中國發(fā)明專(zhuān)利授權3件（ZL 202011294438.7、ZL 202011021448.3、ZL 202010810313.9），在雙極板涂層裝備方面獲得中國發(fā)明專(zhuān)利授權1件（ZL 202010241253.3），正在積極尋求產(chǎn)業(yè)合作。
上述研究工作得到了中科院長(cháng)春分院省院合作專(zhuān)項、中科院潔凈能源創(chuàng )新研究院合作基金和中科院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )優(yōu)秀會(huì )員項目的支持。
