采用等離子體磁控濺射的方法在304 不銹鋼雙極板表面沉積出致密均勻的Cr 層和Cr2N 層。運用X 射線衍射、俄歇電子能譜、掃描電鏡、界面接觸電阻測試和動電位極化等方法, 研究了表面鍍層對不銹鋼雙極板導電和耐腐蝕性能的影響。結果表明, 經過鍍氮化鉻層后的雙極板界面導電性能良好, 在質子交換膜燃料電池( PEMFC) 電堆裝載壓力下, 界面接觸電阻為20 m歐.cm2, 與未鍍層相比降低了約70%。雙極板的耐腐蝕性能也有顯著的增強: 在模擬PEMFC 環境中, 腐蝕電位提高了約300 mV, 腐蝕電流降低了約1 個數量級。

　　質子交換膜燃料電池( PEMFC) 是一種可以將氫氣和氧氣中的化學能, 通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置, 被認為是21 世紀最有發展前景的高效清潔發電技術。雙極板是PEMFC 的最關鍵部件之一, 它不但影響電池的性能, 而且占據了電池60% ~ 70%的成本。不銹鋼雙極板具有導電導熱性能好、資源豐富、成本低、強度高等優點, 可以提高燃料電池的比功率。但是不銹鋼材料在燃料電池運行環境下將面臨溶解或鈍化等腐蝕問題。因此, 有必要在不銹鋼雙極板的表面形成導電且耐腐蝕的覆蓋層, 對不銹鋼材料雙極板進行表面改性處理。

　　鉻的氮化物具有良好的耐蝕性和導電性, 在不銹鋼表面形成上述化合物是非常有前途的改性方法。Nam 和Lee通過在316L 表面先鍍鉻再進行氮化的方法得到的Cr2N 層具有良好的表面接觸電阻和耐蝕性。Fu 等認為CrxN 涂層能提高316L 的耐腐蝕性能, 同時其高表面能還有利于燃料電池的水管理。Yang B 等發現, 不銹鋼表面鍍鉻氮化合物, 雙極板內部不會氮化, 只是改變了表面的材料以達到所需的性能。M. P. Brady 等在不同氮化條件下對N-i Cr、Fe-Cr 合金進行氣體氮化, 在表面形成了形態、結構不同的氮化物, 并在N-i 50Cr 合金上制備出了無缺陷的Cr 的氮化物, 其耐腐蝕性能和導電性能都有較大提高。吳博等通過電弧離子鍍方法在不銹鋼雙極板沉積了一系列Cr1- xNx 改性薄膜, 鍍膜處理后的不銹鋼導電性和耐腐蝕性能都有較大提高。

　　磁控濺射法是近年發展非常迅速的一種表面改性工藝, 磁控濺射法屬于輝光放電范疇, 利用陰極濺射原理進行鍍膜, 可以通過磁過濾器有效減少或消除大顆粒, 在基體上形成光滑、堅硬和致密均勻的鍍層。本文利用等離子體磁控濺射工藝, 在304 不銹鋼( SS304) 表面沉積了致密均勻的Cr 層和Cr2N層, 并對鍍層的結構、成分、界面導電性能和在模擬PEMFC 環境下的耐腐蝕性能等進行了測試和分析,為研究性能好、成本低的燃料電池雙極板提供了一個新思路。

　　結論

　　(1) 應用等離子體磁控濺射的方法在304 不銹鋼表面沉積了Cr 層和Cr2N 層。

　　(2) 鍍氮化鉻層后的雙極板在PEMFC 電堆裝載壓力(1.5MPa) 下, 界面接觸電阻為20 m歐.cm2, 與未鍍層相比降低了約70%。

　　(3) 經過鍍鉻滲氮改性后的雙極板具有良好的耐腐蝕性能, 在模擬PEMFC 環境中, 腐蝕電位提高了約300 mV, 腐蝕電流降低了約1 個數量級。