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蘭州化物所燃料電池雙極板防護(hù)涂層研究取得進(jìn)展

來源:上海政飛電子科技有限公司   2022年11月11日 13:23  

       燃料電池是把燃料具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的化學(xué)裝置,又稱電化學(xué)發(fā)電器。燃料電池具備運(yùn)行中o排放、高效率等優(yōu)點(diǎn),是交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳排放的重要技術(shù)之一。雙極板是氫燃料電池的核心部件,主要作用是收集燃料電池產(chǎn)生的電流、向電極供應(yīng)反應(yīng)氣體、阻止兩極間反應(yīng)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,雙極板易被腐蝕。因此,開發(fā)具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、耐腐蝕性的新型雙極板是該領(lǐng)域的重要任務(wù)。

  近年來,中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所先進(jìn)潤滑與防護(hù)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(shè)計(jì)、工藝技術(shù)開發(fā),并取得系列研究進(jìn)展。

  針對碳薄膜沉積效率低、導(dǎo)電性能差,科研團(tuán)隊(duì)運(yùn)用催化反應(yīng)磁控濺射法,制備了導(dǎo)電耐蝕碳薄膜(圖1)。研究依靠橋接的納米銅團(tuán)簇和石墨烯狀碳結(jié)構(gòu)在體相中構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò),該結(jié)構(gòu)賦予樣品良好的導(dǎo)電性。同時,橋接的納米銅團(tuán)簇被石墨烯狀碳結(jié)構(gòu)和無定形碳團(tuán)簇隔離,從而保護(hù)了納米銅團(tuán)簇不與腐蝕性液體接觸,賦予樣品優(yōu)異的耐腐蝕性能。相關(guān)研究成果以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上。

  科研人員發(fā)現(xiàn)CrN薄膜具有優(yōu)異的耐蝕性、導(dǎo)電性和低成本特性,但CrN薄膜的制備窗口很窄,很少有薄膜能同時滿足DOE 2025關(guān)于接觸電阻和腐蝕電流密度的標(biāo)準(zhǔn),無法實(shí)現(xiàn)雙極板的商業(yè)化。為解決這些問題,研究提出了非晶納米晶彌散結(jié)構(gòu),來突破導(dǎo)電和耐腐蝕相統(tǒng)一的矛盾。科研人員利用高功率微脈沖磁控濺射(HiPIMS)在寬N2/Ar比(4-10%)條件下沉積了具有高導(dǎo)電性(低可達(dá)6.14 mΩ·cm2 at 1.4 MPa)和強(qiáng)耐蝕性(腐蝕電流密度均小于1 μA·cm-2,低可達(dá)0.086 μA·cm-2)的CrN膜。研究表明,得益于HiPIMS高的等離子體密度和離子能量,可以調(diào)控高金屬特性和穩(wěn)定性的Cr2N生長,賦予薄膜良好的導(dǎo)電性,同時可抑制CrN膜柱狀結(jié)構(gòu)的生長,形成非晶包裹的Cr2N納米團(tuán)簇的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高了薄膜的耐腐蝕性(圖2)。相關(guān)研究成果以Nano-Cr2N dominated films with high conductivity and strong corrosion resistance for Ti bipolar plates為題發(fā)表在Materials & Design上。

  科研團(tuán)隊(duì)利用HiPIMS制備了TiN薄膜,系統(tǒng)研究了氮?dú)饬魉賹λ练e薄膜的表面微觀結(jié)構(gòu)、耐蝕性、表面電導(dǎo)率和水接觸角的影響。氮?dú)饬髁康母淖冊斐煞肿託怏w內(nèi)部自由度的變化而影響動能,從而影響TiN的成核和生長,進(jìn)而影響TiN薄膜的表面微觀結(jié)構(gòu)。研究通過織構(gòu)系數(shù)、晶粒尺度的計(jì)算論證證明,入射粒子的動能是控制TiN涂層擇優(yōu)取向和結(jié)晶度的重要因素(圖3)。研究證實(shí)了高能等離子調(diào)控可實(shí)現(xiàn)寬工藝(N2/Ar比(4-10%))范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電、耐腐蝕的統(tǒng)一。相關(guān)研究成果以Adjustable TiN coatings deposited with HiPIMS on titanium bipolar plates for PEMFC為題,發(fā)表在《國際氫能雜志》(International Journal of Hydrogen Energy)上。

  近日,科研團(tuán)隊(duì)對燃料電池金屬雙極板的保護(hù)薄膜/涂層性質(zhì)、材料合成方法及應(yīng)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《國際氫能雜志》(International Journal of Hydrogen Energy)上。

  目前,科研團(tuán)隊(duì)在燃料電池雙極板薄膜/涂層方面獲中國發(fā)明授權(quán)3件,在雙極板涂層裝備方面獲中國發(fā)明授權(quán)1件,正在積極尋求產(chǎn)業(yè)合作。研究工作得到吉林省與中科院科技合作高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)、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)會會員項(xiàng)目的支持。



圖1.CrCu摻雜的導(dǎo)電耐蝕碳薄膜制備過程,電化學(xué)性能及導(dǎo)電耐蝕機(jī)制




圖2.HiPIMS制備一種高導(dǎo)電、強(qiáng)耐蝕的CrN薄膜及其性能分析



圖3.N2流速對TiN薄膜生長的影響機(jī)制


圖4.燃料電池雙極板的發(fā)展歷程


文章來源:轉(zhuǎn)載自全球氫能網(wǎng)

注:已獲得轉(zhuǎn)載權(quán)

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