西安交通大学 宋忠孝 氢燃料电池金属双极板高性能涂层研究

100.00
85.05
ICR at 140 N/cm2 (mΩ cm2)
10.00 3.76 2.96 2.13
1.00 316L 1 µm TiN 1 µm 20 nm Au Graphit-iC® FC1
实验测试
在电堆中测试
纳米薄膜研究团队
Graphit-iC™:
Nanostructured, sp2 amorphous C
纳米薄膜研究团队
铝挤压模具
有涂 层模 具产 品
调整Cr/Ti 比例CrTiAlN涂层
效 果 涂层处理前 涂层处理后
无涂 层模 具产 品
寿 命
160根铝棒
820根铝棒
纳米薄膜研究团队
锻造模具提高8倍寿命，且不用 脱模剂
金属高分子复合涂层用于硅 胶模具不粘模涂层
纳米薄膜研究团队
GLC涂层
高性能超厚CrN基涂层活塞环
获得应用
压铸铝合金 模具镶块及 型芯
效果 不粘铝次数 使用寿命 涂层前 300 1万次左右 涂层后 1300 4万次
铝合金手机 配件压铸铝 合金模具 涂层后，明显改善 了整体的脱膜性和 抗热疲劳性、浇铸 口的热冲蚀、龟裂
发动机缸体 压铸铝合金模具
效果 寿命
涂层前 涂层后 3万次左右 8万次左右
纳米薄膜研究团队
双极板占燃料电池电堆成本20%以上！
纳米薄膜研究团队
氢氧燃料电池双极板种类
一般制法
石墨板 利用碳粉或石墨粉 混合可石墨化树脂 制备
优点
1）质轻 2）耐蚀性好 3）导电佳
缺点
1）脆性物质，易造成 组装难度，厚度不易做 薄 2）一般烧结成多孔性 板，需添加添加物 3）石墨化时间长，机 械加工难，价格昂贵 1）单位密度高，较重 2）易发生腐蚀，需要 表面改性
四、PVD （物理气相沉积）


真空蒸镀
多弧离子镀 磁控溅射
PVD镀层在加工过程中不产生废气、废水、废渣和噪 声污染，符合绿色环保无污染的要求
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纳米薄膜研究团队
弧等离子
e e e+ ++ +++ +++ Me Me ++ ++ Me Me -e e e e
--
droplets
90% metal ions
磁控溅射
中 中 低 低-辉光 单元素多靶 能溅射 能溅射
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磁控是选择！
纳米薄膜研究团队
金属双极板涂层发展
• 贵金属(PGM) • Carbon-based • Metal Oxide
纳米薄膜研究团队
纳米薄膜研究团队
Corrosion <1µA/cm2 and Contact Resistance <20 mΩ cm2
金属板
不锈钢、钛合金、铝合 金等直接加工而成
1）良好的电、热导体 2）机械型质佳，强度高 3）阻气性好 3）无孔性
复合板
多层复合型：以薄金属 为分隔板，有孔薄碳板 为流场板，以极薄导电 胶粘合 复合材料型：热塑或热 固性树脂料混合石墨粉、 增强纤维等形成预制料， 并固化、石墨化后成型
结合了石墨板和金属板 的优点
薄膜制备+热电循环+应力 测试+俄歇+XPS 热场+电场+力场 申请国家发明专利1项
表征抗电迁移能力
纳米薄膜研究团队
研究平台——超薄超平整保形原子层沉积（ALD）
三维TSV互连结构
主要应用
High-k/Metal栅极
纳米薄膜研究团队
低温气相沉积技术
塑料产品表面涂层
非平衡磁控溅射设备
纳米薄膜研究团队
纳米薄膜研究团队
三、金属双极板涂层研究
表面工程技术的作用 (涂层/改性)
性能的改善：耐磨、减摩、表面防腐蚀等 功能改变：使其具有光、电、磁、生物特性等 完整性：整体材料的性能+表面材料新特性 产品品质：大大提升，可实现产品微小化和功能化 技术经济效益：成倍提高
整体材料 新材料
表面工程（材料）
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纳米薄膜研究团队
弧技术
工具涂层性能 + 耐磨 + 高硬度/ 中等应力
Me+ Me++ e
Me++
Me+++
+ 优良的结合力
- 粗糙度高
生产成本 + 高的沉积速率
+++ Me+ Me
Me+ Me++ e-
e-
Me+++ Me+
-
需要镀膜后续处理
适用性 + 适合用于工具涂层
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纳米薄膜研究团队
直流溅射等离子
Ar+
Me Ar+
Ar+
Ar+
Ar+
Me Me
Me Me Ar+
Me e- + eAr+
Ar+
5% metal ions
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纳米薄膜研究团队
溅射技术
工具涂层性能
耐磨性能相对差 Ar+
Me Ar+ Ar+
Me
Me+
-
高硬度/ 高应力 结合强度弱
eAr+ Me Ar+ Me
+ 低粗糙度 生产成本
Ar+
1到3nm 的石墨分布在非晶碳中
Graphit-iC™ 是导电涂层
纳米薄膜研究团队
CrN（7min） 6
Cr（3min） 基体 接触电阻 极化曲线
6周期（CrN/Cr）多层结构相较3周期（CrN/Cr）多层结 构，在接触电阻和耐腐蚀方面都得到一定程度的提高。
纳米薄膜研究团队
经离子渗氮，基体的耐蚀性 及接触电阻明显改善。
纳米薄膜研究团队
氢燃料电池金属双极板高性能涂层研究
宋忠孝
西安交通大学
金属材料强度国家重点实验室
纳米薄膜研究团队
报告内容
一 、课题组介绍
二 、金属双极板功能特点
三 、金属双极板涂层研究 四、金属双极板涂层未来方向
纳米薄膜研究团队
一、课题组介绍
微电子和器件薄膜 耐磨防腐涂层
纳米薄膜研究团队
研究平台——低维单晶材料制备的分子束外延(MBE)
整体材料
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纳米薄膜研究团队
涂/镀层技术的发展
一、电镀

镀Cr 复合电镀（CKS）
电镀Cr、 CKS镀层均由六价铬还原得到三价铬盐镀铬 已研究百余年，六价铬危害环境及人体健康
二、化学镀、热浸镀、涂料涂装、喷涂（热喷涂、等离子喷涂）…
三、CVD（化学气相沉积）
镀层厚度10-100μm，处理温度高，有污染
– Fibres/纤维 – Powder/粉末
– MoSTTM
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纳米薄膜研究团队
弧镀和磁控放电特征的不同
阴极弧镀：弧光放电使金属熔化
磁控溅射：溅射处于辉光放电
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纳米薄膜研究团队
弧镀和磁控
阴极弧
离化率 沉积速度 粗糙度 温度 复合涂层 碳膜 化合物 高 快 高 高-弧光 合金靶 不能熔化 不能熔化
制作繁琐
1）用射出成型，制造快 2）重量轻 3）抗蚀性佳
1）导电效果较差 2）机械性质差，组装 不易
Baidu Nhomakorabea
纳米薄膜研究团队
金属具有良好的导电性和散热性最适合做双极板 金属耐腐蚀性能较弱，面临腐蚀问题；同时质子交换膜 微量降解，生成水的PH值为微弱酸性，会导致金属双极 板氧电极侧氧化膜增厚，降低电池性能。 在金属表面通过镀膜的方式以增加其耐腐蚀性！
纳米薄膜研究团队
无油压缩机螺杆。
汽轮机叶片超厚涂层
纳米薄膜研究团队
替代电镀金热沉涂层，通过膜层结构的设计，焊接孔洞减少95%，镀金成本 降低60%，镀膜过程完全绿色环保。
纳米薄膜研究团队
二 、金属双极板功能特点 双极板的功能： （ 1 ）分隔氧化剂与还原剂，要求双极板必须具有 阻气功能，不能用多孔材料； （2）具有集流作用，因此必须是电的良好导体； （ 3 ）双极板材料在氧化介质或还原介质存在时， 具有抗腐蚀性能； （ 4 ）确保反应气体在整个工作电极各处能均匀分 布； （ 5 ）应是热的良导体，以确保电池组的温度均匀 分布和排热方案的实施。
纳米薄膜研究团队 CrN vs. TiN
CrN相对于TiN具有更好的耐蚀性
纳米薄膜研究团队
铝双极板/类石墨涂层
不锈钢双极板/类石墨涂层
纳米薄膜研究团队
四、金属双极板涂层未来方向 • 高导电和高耐腐蚀涂层（基本要求） • 超薄（降低体系电阻） • 合适硬度（太高硬度不利于降低接触电阻）
• Graphit-iC、NanoAu、MaxPhase
7×7
Graphene
纳米尺度应变分布表征 原位分析应变演化行为
RHEED
2.0nm
1.0nm
高精度监控单晶体质量
变温STM/AFM (2.5K-300K)
Knudsen-cell
E-Beam (Tmax=3000℃)
AFM和Raman集联
纳米薄膜研究团队
研究平台——多晶薄膜制备及原位检测（PVD）
复合处理： 氮化+CrTiAlN涂层
热挤压模具使用前
效果
寿命
热挤压模具使用后
复合处理前
400次
复合处理后
1343次
纳米薄膜研究团队
飞机叶片精锻模具
复合处理： 氮化+CrTiAlN涂层
涂层使用效果对比
效果 出现微裂纹 最终寿命 复合处理前 约500次 维护5次后报废 复合处理后 约2500次 复涂五次
梯度（复合）涂层：Cr/ Graphit-iC、 GraphitiC(Ag)、TaN(Ag)
纳米薄膜研究团队
感谢聆听！
– Nitrides/氮化物

– Ceramics/陶瓷
– Glass/玻璃 – Plastics/塑料
可实现的涂层
单一组分：
– TiN
– CrN – ZrN – TiO2, Nb2O5 – Au,etc
多层或复合：
– TiCN,TiAlN/AlTiN – CrTiN, CrTiAlN – Graphit-iCTM – Dymon-iC
-
低沉积速率
+ 不需要镀膜后处理
适用性
-
不适合用于工具
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纳米薄膜研究团队
可实现涂层工艺及应用范围

可溅射的材料
– Ti, Al, Cr, Zr, Mo, Nb, C, W, Ag….. – Carbides/碳化物 – Oxides/氧化物

可沉积的基材
– Metals/金属 – Cemented Carbides 硬质合金