《表1 不同沉积方法对双极板碳基涂层性能的影响》

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《质子交换膜燃料电池金属双极板改性碳基涂层技术研究进展》

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目前，国内外多个科研团队已经开发了多种方法制备金属双极板改性碳基涂层（见表1），主要包括物理气相沉积[25-28]和化学气相沉积[3，29]等方法。通过化学气相沉积（CVD）法在SS304基体上制备a-C涂层，涂层耐蚀导电性能满足美国DOE指标。Chung等[29]使用CVD技术在SS304表面制备了碳涂层，发现涂层的表面形态取决于CVD沉积过程中气体碳源的浓度。该方法可以通过调控气相组成制备具有不同化学成分的涂层，从而获得梯度或复合镀层，但CVD技术的沉积功率较低，且成膜时工件温度高，在应用上受到一定限制。相比之下，物理气相沉积（PVD）法制备的涂层ICR均小于CVD涂层（8.90 m?·cm2），具有较好的电导率[3]。Bi等[30]研究了偏置电压对闭合场非平衡磁控溅射离子镀（Closed field unbalanced magnetron sputter ion plating，CFUBMSIP）沉积的a-C涂层微观结构和性能的影响，成功制备出具有致密结构的a-C涂层。Wu等[31]通过脉冲偏压电弧离子镀（PBAIP）在SS316L上沉积一系列含铬的碳涂层。涂层中sp3和sp2碳原子的含量受掺杂铬的影响很大，且ICR与sp3和sp2碳原子的含量密切相关。Cr0.23C0.77涂层获得最低的ICR（压实压力为1.20 MPa，ICR为2.8 m?·cm2）以及最佳的耐腐蚀性。与CVD法相比，PVD沉积工艺过程简单，且成膜均匀致密。此外，Y.J.Ren等[9]通过高能微弧合金化（HEMAA）技术获得的涂层比PVD方法制备的涂层结构更致密，该涂层的腐蚀电流密度仅为0.034μA/cm2，且在模拟PEMFCs的阴极工作环境下浸泡30天后，仍然具有较高的稳定性。因此，与PVD涂层相比，由HEMAA制备的TiC涂层可以更有效地阻止腐蚀物质到达基体，成为阻止腐蚀物质向内渗透的有效屏障。总体上，对于含氢、无氢非晶碳，采用PVD沉积工艺获得的涂层材料具有更好的耐蚀性与更低的接触电阻，这可能与H组分、电阻率有关。Asri等[32]充分探讨了双极板涂层与表面处理方法间的联系，客观评估了涂层制备方法和涂层性能。Yi等[33]、Bi等[30]和Wang等[34]从涂层结构设计和组分调控等多方面研究了碳基涂层性能。在产业方面，上海YOOGLE（佑戈）公司和常州翊迈新材料科技有限公司等也开发了系列碳基涂层改性的金属双极板产品。研究结果表明，采用非晶碳涂层材料技术可以显著提高多种金属极板的耐蚀性与导电性，同时部分产品已应用于上汽集团的荣威750、950及大通V80系列车型上，实测性能良好，市场应用潜力巨大。