不锈钢双极板表面Cr与Cr2N镀层导电与耐蚀性研究

　　采用等离子体磁控溅射的方法在304 不锈钢双极板表面沉积出致密均匀的Cr 层和Cr2N 层。运用X 射线衍射、俄歇电子能谱、扫描电镜、界面接触电阻测试和动电位极化等方法, 研究了表面镀层对不锈钢双极板导电和耐腐蚀性能的影响。结果表明, 经过镀氮化铬层后的双极板界面导电性能良好, 在质子交换膜燃料电池( PEMFC) 电堆装载压力下, 界面接触电阻为20 m欧.cm2, 与未镀层相比降低了约70%。双极板的耐腐蚀性能也有显著的增强: 在模拟PEMFC 环境中, 腐蚀电位提高了约300 mV, 腐蚀电流降低了约1 个数量级。

　　质子交换膜燃料电池( PEMFC) 是一种可以将氢气和氧气中的化学能, 通过电化学反应直接转化为电能的发电装置, 被认为是21 世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。双极板是PEMFC 的最关键部件之一, 它不但影响电池的性能, 而且占据了电池60% ~ 70%的成本。不锈钢双极板具有导电导热性能好、资源丰富、成本低、强度高等优点, 可以提高燃料电池的比功率。但是不锈钢材料在燃料电池运行环境下将面临溶解或钝化等腐蚀问题。因此, 有必要在不锈钢双极板的表面形成导电且耐腐蚀的覆盖层, 对不锈钢材料双极板进行表面改性处理。

　　铬的氮化物具有良好的耐蚀性和导电性, 在不锈钢表面形成上述化合物是非常有前途的改性方法。Nam 和Lee通过在316L 表面先镀铬再进行氮化的方法得到的Cr2N 层具有良好的表面接触电阻和耐蚀性。Fu 等认为CrxN 涂层能提高316L 的耐腐蚀性能, 同时其高表面能还有利于燃料电池的水管理。Yang B 等发现, 不锈钢表面镀铬氮化合物, 双极板内部不会氮化, 只是改变了表面的材料以达到所需的性能。M. P. Brady 等在不同氮化条件下对N-i Cr、Fe-Cr 合金进行气体氮化, 在表面形成了形态、结构不同的氮化物, 并在N-i 50Cr 合金上制备出了无缺陷的Cr 的氮化物, 其耐腐蚀性能和导电性能都有较大提高。吴博等通过电弧离子镀方法在不锈钢双极板沉积了一系列Cr1- xNx 改性薄膜, 镀膜处理后的不锈钢导电性和耐腐蚀性能都有较大提高。

　　磁控溅射法是近年发展非常迅速的一种表面改性工艺, 磁控溅射法属于辉光放电范畴, 利用阴极溅射原理进行镀膜, 可以通过磁过滤器有效减少或消除大颗粒, 在基体上形成光滑、坚硬和致密均匀的镀层。本文利用等离子体磁控溅射工艺, 在304 不锈钢( SS304) 表面沉积了致密均匀的Cr 层和Cr2N层, 并对镀层的结构、成分、界面导电性能和在模拟PEMFC 环境下的耐腐蚀性能等进行了测试和分析,为研究性能好、成本低的燃料电池双极板提供了一个新思路。

　　结论

　　(1) 应用等离子体磁控溅射的方法在304 不锈钢表面沉积了Cr 层和Cr2N 层。

　　(2) 镀氮化铬层后的双极板在PEMFC 电堆装载压力(1.5MPa) 下, 界面接触电阻为20 m欧.cm2, 与未镀层相比降低了约70%。

　　(3) 经过镀铬渗氮改性后的双极板具有良好的耐腐蚀性能, 在模拟PEMFC 环境中, 腐蚀电位提高了约300 mV, 腐蚀电流降低了约1 个数量级。