12 / 2021-10-22 15:27:38

双极板表面改性非晶碳薄膜致密性与组分结构对界面损伤的影响

质子交换膜燃料电池,双极板,非晶碳膜,等离子体状态,致密性与组分结构

为了解决金属双极板在质子交换膜燃料电池（PEMFC）苛刻的酸性条件下发生严重腐蚀的问题，非晶碳（a-C）薄膜作为金属双极板的表面功能改性薄膜引起了广泛关注。以往的研究证实，a-C薄膜的致密性和成分是决定其性能和使用寿命的两个关键因素，但各因素的作用及其协同效应尚不明确；此外，这两个参数主要取决于沉积过程中等离子体的特性，但在这一领域的相关研究严重不足，这阻碍了质子交换膜燃料电池中非晶碳表面改性金属双极板的优化。本工作通过改变沉积气压，调节a-C的致密性和组分结构，研究了316L不锈钢的沉积过程等离子体状态、组织和性能之间的关系。结果表明，在沉积气压为2mtorr时，等离子体的高电离度导致a-C薄膜的高致密性（最高密度为2.52g/cm³）和较大的sp²团簇尺寸，从而使其性能最佳；在11mTorr时，低电离度导致其结构松散，而其sp²团簇尺寸较大，加剧的电偶腐蚀可导致严重的界面损伤，在恒电位试验后的腐蚀液中Fe离子浓度最高为13.05ppm。因此，想要获得高性能非晶碳表面改性金属双极板，a-C薄膜需要同时具备高致密性和较大sp²团簇尺寸两个关键因素。