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磁控溅射等离子体应用--PEMFC双极板薄膜改性

燃料电池；钛极板；氮化物薄膜；长效耐蚀性；接触电阻

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为解决能源枯竭问题的有效方式，对其关键部件之一，双极板(BP)的应用研究倍受关注。以薄金属极板替代大体积、超重的块体石墨材料成为缩小电池体积、减轻电池重量的首选。在PEMFC酸蚀耦合电极电位系统中，金属极板被腐蚀并钝化，降低了电池运行转换效率和长效稳定性。因此，对金属极板薄膜的表面改性及长效腐蚀机制的研究成为焦点。

本文采用热钨丝增强等离子体磁控溅射技术，在轻质Ti6Al4V(TC4)合金表面制备了氮化铬(CrN)、氮化钛(TiN)、氮化钛铝(TiAlN)及Pt掺杂TiAl(Pt)N系列薄膜。改变热丝放电电流调控溅射等离子体密度，即改变基体偏流密度，有效调控氮化物薄膜致密度和内应力，以期薄膜有效地阻止酸蚀介质与基体接触。通过对薄膜形貌、结构取向、应力应变、接触电阻及模拟工况环境的耐蚀性能表征分析，研究氮化物系列薄膜对TC4极板的表面改性功能，揭示其长效腐蚀机制。

（1）热丝放电电流由0A增加至32A，CrN薄膜致密化，结构取向由低应能转变为低表面能，化学组成由富铬变为贫铬，接触电阻10~49 mΩ·cm²；与TC4相比，致密CrN/TC4的自腐蚀电位提升，自腐蚀电流密度降低，EIS阻抗谱及拟合电路图证明两者具有相同的腐蚀模式。模拟极板阴极工况浸泡20周的结果显示，适当放电电流(16A)下获得的致密CrN薄膜蚀损最小，接触电阻升幅最小。致密、低应变且化学剂量比平衡是薄膜长效耐蚀的关键因素。

（2）热丝放电电流增加，TiN薄膜致密化，低应能变(111)取向不变，接触电阻升至5~30 mΩ·cm²；致密TiN/TC4与基体的自腐蚀电位和腐蚀电流密度相当，腐蚀模式类似。模拟极板阴极工况浸泡3周，TiN薄膜表面氧化且发生局部腐蚀；浸泡20周，疏松薄膜为腐蚀介质提供通道而脱落，致密薄膜部分脱落。

（3）热丝放电电流16A时，制备态CrN及TiN薄膜的耐蚀达DOE标准，导电性接近标准。模拟极板阴极工况浸泡3周后，CrN薄膜表面未产生明显缺陷，TiN薄膜出现蚀坑；20周后，CrN薄膜表面出现蚀坑，TiN薄膜脱落失效。

（4）与TiN薄膜相比，Al固溶于TiN晶格，导致TiAlN薄膜柱状晶细化，呈低表面能TiN(200) 取向，内应力增大，自腐蚀电位小幅下降，自腐蚀电流小幅上升；金属Pt掺杂，TiAl(Pt)N薄膜韧性提升，内应力下降，接触电阻低至9.85 mΩ·cm²，自腐蚀电位和电流均升高。模拟极板阴极工况浸泡3周，TiN及TiAl(Pt)N薄膜表面出现蚀坑，TiAlN薄膜从TC4基体脱落。高内应力是TiAlN薄膜脱落的原因；Pt的金属性及原电池效应是TiAl(Pt)N薄膜接触电阻低、长效耐蚀性差的原因。

（5）热钨丝增强等离子体磁控溅射技术中，调控热丝放电电流，便于调控磁控溅射等离子体密度，有助于生长中的薄膜受到能量适中、频次可调的等离子轰击。采用此技术稳定制备的结构致密、残余内应力较低的氮化物陶瓷薄膜为其在酸蚀耦合电极电位的PEMFC环境中的应用提供了可能。