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
利用氧化铟表面改性调整内亥姆霍兹平面实现无枝晶锂负极
利用氧化铟表面改性调整内亥姆霍兹平面实现无枝晶锂负极由于具有高的比容量（3860 mAh g-1）和最低的还原电位（-3.04 V），锂金属被认为是最有前途的负极材料。
然而，锂在循环过程中的枝晶生长阻碍了锂金属电池（LMB）的实用化。
近日, 西安交通大学宋忠孝教授和Yangyang Liu等人通过磁控溅射在铜集流体上用氧化铟进行表面改性，可以自发地锂化，形成由锂铟氧化物和Li-In合金组成的复合相。
该复合相通过调节LiInO2修饰的内亥姆霍兹平面，促进了锂离子的去溶剂化，并通过在锂铟合金上电沉积，诱导锂金属二维形核，从而有效抑制锂枝晶的生长。
使用In2O3改性后，锂金属负极表现出出色的循环稳定性，与钴酸锂正极组装的LMB表现出优异的容量保持率。
图1、a）锂离子在内亥姆霍兹平面中去溶剂化和进一步电沉积的示意图。
b)In2O3和Li之间的反应坐标随吉布斯自由能的变化。
c)LiInO2的态密度。
d)Li-In的合金化过程和相应的形成能。
e)锂离子在Li(100)、Cu(111)和LiInO2(110)上的吸附位点，以及f)相应的吸附能。
g）Li原子在LiIn（100）和LiIn（110）上的扩散路径和h）相应的活化能垒。
【本文要点】要点1.本文通过磁控溅射方法制备了In2O3功能界面改性层，可与Li反应生成更高介电常数的LiInO2和亲锂的LixIn合金。
要点2. 高介电常数的LiInO2可以调节内亥姆霍兹平面（IHP），促进了锂离子的去溶剂化。
此外，由于LixIn合金表面能垒较低，Li离子在改性表面的自扩散加速，有利于实现锂金属的均匀电沉积。
要点3. In2O3改性后，Li|Cu半电池在100次循环中表现出96%的高CE，而Li|LiCoO2全电池在循环600次后具有80%的容量保持率。
综上所述，这种可扩展的磁控溅射表面改性为锂金属在下一代锂金属电池中的商业应用铺平了道路。
图2、a）锂金属在不同铜箔上的成核过电位；b）裸铜与In2O3包覆铜箔上锂沉积的库仑效率。
氢燃料电池阳极材料研究
氢燃料电池阳极材料研究氢燃料电池是一种环保的能源转换技术，其具有高效率、零排放的特点，因此被广泛认为是未来替代传统燃油车的理想能源源选择。
而氢燃料电池的性能则受到阳极材料的影响，因此对氢燃料电池阳极材料的研究显得尤为重要。
首先，氢燃料电池的阳极材料需要具备良好的电导率和电化学活性。
传统的氢燃料电池阳极材料主要是铂基材料，但其昂贵的成本限制了氢燃料电池的商业化应用。
因此，研究人员开始寻找更为经济实用的替代材料。
碳材料是一种被广泛研究的替代材料，其具有良好的电导率和丰富的表面活性位点，可以作为氢燃料电池的阳极材料。
除了碳材料外，金属氮化物、金属硫化物等材料也被研究人员认为具有潜在的应用前景。
其次，阳极材料的表面形貌和结构对氢燃料电池的性能也有着重要的影响。
研究表明，纳米结构的阳极材料具有更高的比表面积和更丰富的表面反应活性位点，可以有效提高氢燃料电池的催化性能。
因此，研究人员开始制备各种纳米结构的阳极材料，并通过调控其形貌和结构来提高氢氧化反应的催化活性和稳定性。
此外，阳极材料与电解质界面的相互作用也是影响氢燃料电池性能的关键因素。
电解质在阳极材料表面的吸附和扩散过程会影响氢氧化反应的速率，因此设计合适的界面结构对提高氢燃料电池的性能至关重要。
研究人员通过表面改性、界面调控等手段来优化阳极材料与电解质的相互作用，从而提高氢燃料电池的效率和稳定性。
让我们总结一下本文的重点，我们可以发现，氢燃料电池阳极材料的研究涉及到材料科学、催化化学、电化学等多个领域，需要多学科的协作和综合运用。
未来，随着材料科学和能源技术的不断发展，相信氢燃料电池的阳极材料将会不断取得新的突破和进展，为推动可再生能源的发展做出更大的贡献。
氢燃料电池中钛双极板研究进展
氢燃料电池中钛双极板研究进展Li Wei;Li Zhengxian;Liu Lintao;Wang Haonan;Xing Kaiyuan;Geng Juanjuan 【摘要】钛及钛合金密度低、比强度高且在酸性环境中耐蚀性优异,在氢燃料电池双极板中具有较高的应用价值.回顾了近年来氢燃料电池用钛双极板的研究进展,详述了钛双极板表面改性技术的研究成果,包括掺杂合金元素、钛表面涂覆金属基涂层(贵金属、金属碳/氮化物等)和碳基涂层(石墨、无定型碳等).涂层结构组织的复合化和纳米化,有利于提升钛双极板的耐蚀性、导电性和疏水性,其对于提升氢燃料电池的性能及保证其运行的稳定性和耐久性具有重要作用.【期刊名称】《钛工业进展》【年(卷),期】2018(035)006【总页数】6页(P10-15)【关键词】氢燃料电池;钛合金;双极板;表面改性;导电性【作者】Li Wei;Li Zhengxian;Liu Lintao;Wang Haonan;Xing Kaiyuan;Geng Juanjuan【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TG174.44;TG146.230 引言化石能源的紧缺与当今世界经济发展之间的矛盾日益凸显，并且化石能源使用过程中还会产生SO2、NOx、CO2等有害气体，造成环境污染[1-3]。
因此，需要寻求和应用绿色、高效、可再生的新能源。
在众多新能源中，氢燃料电池引起了人们的广泛关注，其中质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)因具有工作温度适中(80 ℃)、功率密度高、启动快速的特点，很适合作为固定式和便携式发电装置，在交通运输领域具有很高的应用价值[4-5]。
双极板作为PEMFC的重要组成部分，占电堆重量的70%以上，体积的50%左右，其成本为电池成本的30%～50%左右[6-7]。
双极板性能一般由流场结构及其材料本身决定，其中流场结构对燃料气体的均匀分布、水和热量的排出及电流的均匀分配具有重要的影响，而极板材料对极板重量、体积、电流和热的传导、燃料气体和氧化剂的分隔、极板耐久性都有着重要的影响。
燃料电池金属双极板设计与成形技术综述
第14卷 第3期 精 密 成 形 工 程2022年3月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING25收稿日期：2020-06-02基金项目：江苏省前沿引领技术基础研究专项（SBK2019050036）；国防基础科研项目（JCKY2020203B056）；江苏省高等学校自然科学研究重大项目（20KJA460003）；江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目（GDZB-069） 作者简介：华日升（1996—），男，硕士生，主要研究方向为金属极板精密成形技术。
通讯作者：王春举（1978—），男，博士，教授，主要研究方向为金属微结构智能制造与系统应用。
燃料电池金属双极板设计与成形技术综述华日升a ，张文泉a ，程利冬b ，王春举a（苏州大学 a. 机电工程学院 机器人与微系统研究中心；b. 档案馆，江苏 苏州 215325） 摘要：氢燃料电池具有清洁、高效等诸多优点，受到了世界各国的高度关注，极板是其重要部件之一。
综述了质子交换膜氢燃料电池金属双极板设计、成形等方向的研究和应用进展。
在金属双极板设计方向，从极板平面流场分布设计、3D 流场设计、考虑电堆结构的极板流场设计以及微流道尺寸优化设计等方面进行综述；在金属极板成形方向，从刚模冲压成形、软模冲压成形以及成形质量与电池性能相关性等方面进行综述。
最后，结合笔者对行业的调研和理解，对未来金属极板的方向发展进行了展望。
关键词：氢燃料电池；金属双极板；流场设计；冲压成形；工艺与性能相关性 DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.004中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2022)03-0025-09Review on Design and Forming Technology of Metallic Bipolar Plates for Fuel CellsHUA Ri-sheng a , ZHANG Wen-quan a , CHENG Li-dong b , WANG Chun-ju a(a. Robotics and Microsystems Center, School of Mechanical and Electrical Engineering; b. Archives,Soochow University, Suzhou 215325, China)ABSTRACT: Hydrogen fuel cell has attracted great attention from all over the world due to the advantages such as cleanliness, high efficiency, etc., and polar plate is one of its important components. The research and application progress in the design and forming of metallic bipolar plates of proton exchange membrane hydrogen fuel cells were reviewed. In the design direction of metallic bipolar plate, the design of planar flow field distribution, 3D flow field design, flow field design of bipolar plate con-sidering stack structure and optimization design of microchannel size were summarized. In the forming direction of metallic po-lar plate, the rigid die stamping forming, soft die stamping forming and the correlation between forming quality and battery per-formance were overviewed. Finally, combined with the author's research and understanding of the industry, the future develop-ment of metallic polar plate was prospected.KEY WORDS: hydrogen fuel cells; metallic bipolar plates; design of flow field; stamping forming; correlation between process and performance人类赖以生存的传统化石燃料日渐枯竭，世界各国政府纷纷出台传统能源车禁售时间表，氢能作为国际公认的清洁、高效能源，受到各国政府和产业的高度重视。
金属双极板表面改性碳基涂层研究进展
表面技术第52卷第11期金属双极板表面改性碳基涂层研究进展赵蒙，周晖*，贵宾华，汪科良（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）摘要：首先对比了贵金属涂层、氮化物涂层、碳基涂层的性能优劣，重点阐述了碳基涂层改性技术的最新研究进展。
然后，以碳基涂层的设计及制备2个维度为研究切入点进行阐述。
在膜系设计方面，着重分析了膜系设计和元素掺杂对碳基涂层的性能影响；在制备方面，分析了偏压、沉积时间和气体流量等对碳基涂层的化学组分、微观结构的调控作用。
最后，总结了当前碳基涂层改性双极板存在的问题，主要为涂层运行寿命不足，无法达到服役标准；测试条件不统一，且模拟环境与电堆实际工况差距较大；涂层长时间服役后的失效机制不明确。
同时，对金属双极板改性碳基涂层的进一步发展方向做出了展望。
关键词：质子交换膜电池；双极板；碳基涂层；PVD；耐腐蚀性能；导电性能中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)11-0182-18DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.11.014Research Progress of Surface Modified Carbon-basedCoatings for Metal Bipolar PlateZHAO Meng, ZHOU Hui*, GUI Bin-hua, WANG Ke-liang(Key Laboratory of Vacuum Technology and Physics, Lanzhou Institute of Physics, CAST, Lanzhou 730000, China)ABSTRACT: With the increasingly serious problems of energy and environmental pollution, the development of clean energy has become a hot issue. Proton exchange membrane fuel cell has become one of the most promising development directions in this field because of its zero emission, low operating temperature and high energy conversion efficiency. As the core component of proton exchange membrane fuel cell, bipolar plate accounts for 20% -30% of the total manufacturing cost. Its service performance and manufacturing cost have become the key factors restricting the development of fuel cell. The bipolar plate is ina high temperature and acidic corrosion environment for a long time, and has the functions of conductivity, thermal conductivity,distribution of reaction gas and drainage. Therefore, the bipolar plate requires good corrosion resistance, conductivity, hydrophobicity and durability. Although the metal bipolar plate has the advantages of easy processing and low production cost, it is difficult to avoid corrosion in an acidic environment, resulting in a decrease in fuel cell performance and service life.High-performance corrosion-resistant conductive coatings are deposited on the surface of metal bipolar plates with high machinability and low manufacturing cost by surface modification technology, which can significantly improve the service performance of metal bipolar plates. It has become one of the hotspots in the research field of fuel cell bipolar plates in recent years. On the basis of comparing the advantages and disadvantages of three typical metal bipolar plate modified coatings, such收稿日期：2022-10-19；修订日期：2023-02-20Received：2022-10-19；Revised：2023-02-20基金项目：甘肃省青年科技基金资助项目（22JR5RA786）Fund：Youth Science and Technology Fund of Gansu Province (22JR5RA786)引文格式：赵蒙, 周晖, 贵宾华, 等. 金属双极板表面改性碳基涂层研究进展[J]. 表面技术, 2023, 52(11): 182-199.ZHAO Meng, ZHOU Hui, GUI Bin-hua, et al. Research Progress of Surface Modified Carbon-based Coatings for Metal Bipolar Plate[J]. Surface Technology, 2023, 52(11): 182-199.*通信作者（Corresponding author）第52卷第11期赵蒙，等：金属双极板表面改性碳基涂层研究进展·183·as precious metal coating, nitride coating and carbon-based coating, the work points out the development bottleneck of high production cost of precious metal coating and insufficient durability and conductivity of nitride coating. Carbon-based coating was selected as the focus of this work, and the latest research progress of carbon-based coating modified metal bipolar plate material system was expounded. In this work, the key points in the design and preparation of carbon-based coatings were taken as the starting point. The effects of film design, element doping and key process parameters in the preparation technology of carbon-based coatings by PVD technology on the chemical composition, microstructure growth and macroscopic service performance of carbon-based coatings were analyzed, including the inhibition effect of multilayer structure on the growth of coated columnar crystals. The method of doping other elements was used to refine the grain, improve the adhesion between the coating and the substrate, and reduce the internal stress. The effect mechanism of element doping on the properties of carbon-based coatings was studied by theoretical calculation and experiment. The effect of important parameters such as bias voltage, deposition time and gas flow rate on the preparation of carbon-based coatings was investigated. The failure mechanisms of several carbon-based coatings were discussed. The key technical problems to be solved, such as the insufficient service life of most coatings, the inability to meet the service standard of 5 000 hours, the inconsistency of test conditions, and the large gap between the simulated environment and the actual working conditions of the stack, were summarized. At the same time, the further development direction of metal bipolar plate modified carbon-based coatings was also prospected.KEY WORDS: proton exchange membrane fuel cells; bipolar plates; carbon-based coating; PVD; corrosion resistance;conductivity能源是支撑人类社会运行与发展的基本要素，传统化石能源大规模利用产生的各类环境问题已受到全球关注。
西安交通大学先进涂层技术获金奖为模具穿上“软猬甲”
西安交通大学先进涂层技术获金奖为模具穿上“软猬甲”佚名
【期刊名称】《模具工业》
【年(卷),期】2017(43)10
【摘要】在2017年第三届“互联网＋”大学生创新创业大赛上，马洋和钱旦组成的创业组与西安交通大学匠心云涂先进涂层技术创业团队一同接受四强争夺赛的考验。
在宋忠孝教授指导下，匠心云涂先进涂层技术公司正式成立，该团队利用等离子科技和云数据平台，推进先进涂层技术发展。
【总页数】1页(PI0005-I0005)
【关键词】西安交通大学;涂层技术;模具;数据平台;金;创业;大学生;互联网
【正文语种】中文
【中图分类】TG76
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1.我校4人获第五届詹天佑铁道科技奖、12人获第三届詹天佑西南交通大学专项基金奖 [J], 科研处科技合作科
2.先进材料科学与技术协会杰出青年科学家——西安交通大学纳米科学与工程技术学院金宏副研究员 [J], 高强
3.先进模具涂层技术助力模具生产高效加工 [J], 欧瑞康巴尔查斯涂层(苏州)有限公司
4.西安交通大学获陕西省先进集体丘进、汪应洛获陕西省先进工作者（劳模）荣誉称号 [J],
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氢燃料电池高性能催化剂研究进展
氢燃料电池高性能催化剂研究进展
闫珂
【期刊名称】《中国资源综合利用》
【年(卷),期】2024(42)4
【摘要】氢燃料电池是高效、清洁的能源利用转化装置,目前,氢燃料电池使用的催化剂多是碳载铂催化剂或碳载铂基合金催化剂。
这类催化剂的价格较高,在使用过程中,催化氧还原反应的活性逐渐衰减,因此必须寻找活性更高、稳定性更强的低铂催化剂。
本文结合氢燃料电池中常见的氧还原反应催化剂,综述铂基催化剂制备方法的研究进展,指出铂基催化剂实现低成本与高性能的重点技术问题,以期为研发与制备氢燃料电池的高性能低成本催化剂提供新思路。
【总页数】6页(P129-133)
【作者】闫珂
【作者单位】江苏北矿金属循环利用科技有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】X734
【相关文献】
1.氢燃料电池阴极氧还原非金属催化剂研究进展
2.国内成功研发出系列高性能铂基氢燃料电池催化剂
3.氢燃料电池阴极催化剂研究进展
4.单原子催化剂在氢燃料电池阴极氧还原反应中的研究进展
5.氢燃料电池阳极抗一氧化碳毒化催化剂的研究进展与展望
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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
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
22
纳米薄膜研究团队
直流溅射等离子
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
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）
磁控溅射
中 中 低 低-辉光 单元素多靶 能溅射 能溅射
西安交通大学科研人员构筑四苯乙烯多组分金属笼用于光催化产氢
西安交通大学科研人员构筑四苯乙烯多组分金属笼用于光催化产氢
作者：
来源：《陕西教育·高教版》2023年第10期
光催化产氢因其具有经济高效、环境友好的优点，因此在生产清洁、可再生和可储存能源方面受到了极大关注。
与传统金属配合物相比，金属有机笼状化合物由于具有可调的化学组成与明确的纳米尺度结构，这有助于调节金属笼内的电子或能量传递，从而提高光催化活性。
然而，目前基于金属笼的光催化产氢体系大多缺乏用于光催化的不饱和金属中心，此外，实现高效的光催化产氢还需要将吸光能力良好的光敏剂引入至金属笼中，因此，发展同时满足以上需求并完成高效光催化產氢的金属笼需仍具有挑战。
针对这一问题，西安交通大学材料学院张明明教授课题基于多组分配位金属笼的优势与同网格合成的策略相结合，成功制备了一系列结构与功能可调的金属笼，值得注意的是，该策略可以在保持金属笼结构完整的基础上将金属铼催化剂与四苯乙烯光敏剂同时整合至金属笼中，从而实现高效光催化产氢。
此外，通过飞秒瞬态吸收光谱与DFT计算揭示了金属笼可以作为催化中心与光敏中心精确有序排列的平台，实现高效和定向的电子转移，从而实现优异的光催化性能。
本研究提供了一种将多功能配体集成到特定金属笼中以提高光催化产氢效率的通用策略，这将指导未来金属笼在光催化设计中的应用。
近日，该研究成果《基于同网格合成策略构筑四苯乙烯多组分金属笼用于光催化产氢》发表在国际化学领域权威期刊《德国应用化学》上。
氢燃料电池金属双极板核心制造技术及产业化应用
氢燃料电池金属双极板核心制造技术及产业化应用氢燃料电池是一种以氢气和氧气为燃料，通过氧化还原反应产生电能的设备，被认为是未来清洁能源的重要选择。
其中，金属双极板作为氢燃料电池的核心部件，其制造技术和产业化应用备受关注。
首先，金属双极板的制造技术是氢燃料电池产业化的关键之一。
金属双极板一般由铂、铑、钢等金属材料制成，其制造技术主要包括以下几个环节：1. 材料准备：选择合适的金属材料，并进行材料表面处理，以确保材料的纯净度和粗糙度符合要求。
2. 制备双极板：将金属材料切割成适当的形状和尺寸，然后通过冷轧、热轧等工艺进行成型，并进行表面处理，以提高双极板的导电性能和耐腐蚀性能。
3. 氢燃料电池反应层的制备：在双极板上涂覆氢燃料电池反应层，通常采用印刷、喷涂等技术，以确保反应层的均匀性和稳定性。
4. 组装与封装：将制备好的双极板与其他氢燃料电池组件（如电解质层、电解质质膜等）进行组装，并进行封装，以确保氢燃料电池的稳定性和安全性。
其次，金属双极板的产业化应用是氢燃料电池产业发展的重要环节。
随着清洁能源需求的增加，氢燃料电池的应用越来越广泛，金属双极板作为氢燃料电池的关键部件之一，其产业化应用也得到了快速发展。
在交通运输领域，金属双极板被广泛应用于氢燃料电池汽车、氢燃料电池公交车等交通工具中。
金属双极板的制造技术与产量的提升，使得氢燃料电池汽车成本的降低，进一步推动了氢燃料电池汽车的产业化发展。
此外，在工业领域，金属双极板也被应用于工业设备的动力供应中。
例如，金属双极板可以用于电力站的备用电源，提供可靠的电能供应，并减少对传统能源的依赖。
在航空航天领域，金属双极板则被用于无人机、卫星等空天器的动力系统中。
由于其高能量密度和零排放的特点，氢燃料电池成为未来航空航天领域清洁能源供应的重要选择。
综上所述，氢燃料电池金属双极板的制造技术和产业化应用是氢燃料电池产业化发展的关键环节。
随着清洁能源需求的增加，金属双极板的制造技术不断创新和提升，并得到了广泛的应用，推动了氢燃料电池产业的快速发展。
燃料电池金属双极板超导电超耐蚀的功能涂层及制备方法[发明专利]
![燃料电池金属双极板超导电超耐蚀的功能涂层及制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e0f7241c0166f5335a8102d276a20029bd646332.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710451190.2(22)申请日 2017.06.15(71)申请人 常州翊迈新材料科技有限公司地址 213000 江苏省常州市武进区常武中路801号常州科教城大连理工大学常州研究院科技产业大厦A座513－515房间(72)发明人 韩治昀 高华 魏科科 (74)专利代理机构 常州市夏成专利事务所(普通合伙) 32233代理人 沈毅(51)Int.Cl.H01M 4/86(2006.01)H01M 4/88(2006.01)C23C 14/32(2006.01)C23C 14/16(2006.01)C23C 14/06(2006.01)C23C 14/08(2006.01)(54)发明名称燃料电池金属双极板超导电超耐蚀的功能涂层及制备方法(57)摘要本发明涉及燃料电池功能涂层技术领域，尤其是一种燃料电池金属双极板超导电超耐蚀的功能涂层及制备方法。
一种燃料电池金属双极板超导电超耐蚀的功能涂层，涂层包含自愈合层、超耐蚀层以及可选择性沉积的超导电层。
这种燃料电池金属双极板超导电超耐蚀的功能涂层以提升燃料电池金属极板使用寿命为前提。
本发明所涉及的一种燃料电池金属双极板超导电超耐蚀涂层材料拥有在使用过程中使得针孔自动填充的能力，因此无需设计规避针孔用反复循环的多层结构，同时涂层具有超耐蚀及超导电的成分设计，可以在无需添加贵金属的前提下达到比现有技术更低的接触电阻和腐蚀电流密度，极大降低了金属极板的处理成本。
权利要求书2页 说明书9页 附图1页CN 107302094 A 2017.10.27C N 107302094A1.一种燃料电池金属双极板超导电超耐蚀的功能涂层，其特征是，涂层包含自愈合层（2）、超耐蚀层（3）以及可选择性沉积的超导电层（6），其中，自愈合层（2）由钛合金和钨合金组成；超耐蚀层（3）包括氧化物层（4）和氮化物层（5）；氧化物层（4）包含钨合金组分的氧化物，氮化物层（5）包含钨合金和或钛合金或两者混合组分的氮化物；超导电层（6）包含石墨烯和石墨，石墨烯含量为2%-10%。
质子交换膜燃料电池双极板用金属改性的研究
质子交换膜燃料电池双极板用金属改性的研究付宇;侯明;林国强;邵志刚;衣宝廉【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2008(042)003【摘要】通过脉冲偏压电弧离子镀工艺,在316L不锈钢表面上沉积出致密的Cr的氮化物梯度薄膜(CrxN).表面改性后的不锈钢双极板界面导电性能良好,在质子交换膜燃料电池电堆的组装力范围内,与Toray碳纸的接触电阻为7.9～11.2 mQ·cm2.双极板的耐腐蚀性能相对于未处理的316L不锈铜基体有了显著的增强:在0.5 mol/L H2SO4+5×10-6mol/L F-的模拟电池环境腐蚀溶液中,室温下改性后双极板的腐蚀电流约为10-7 A/cm2,比基体的小了2个数量级;70℃时在相同的腐蚀环境下,虽然腐蚀电流有所增大,但仍然比不锈钢基体的腐蚀电流小1～2个数量级.改性双极板有很高的表面能,与水的接触角达90°,这有利于电池内部液态水的排出.通过表面改性获得的具有耐蚀-导电-憎水综合性能的金属双极板材料,在质子交换膜燃料电池中有很大的应用潜力.【总页数】4页(P364-367)【作者】付宇;侯明;林国强;邵志刚;衣宝廉【作者单位】中国科学院大连化学物理研究所,116023,大连;中国科学院研究生院,100049,北京;中国科学院大连化学物理研究所,116023,大连;大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,116024,大连;中国科学院大连化学物理研究所,116023,大连;中国科学院大连化学物理研究所,116023,大连【正文语种】中文【中图分类】TG174.444【相关文献】1.质子交换膜燃料电池钛基双极板多弧离子镀TiN膜的腐蚀行为 [J], 段良涛;张东明;郭路;王再义2.质子交换膜燃料电池用聚合物/导电填料复合材料双极板的研究进展 [J], 胡斌;项林忆;何光建3.质子交换膜燃料电池金属双极板表面碳基防护镀层研究进展 [J], 赵秋萍;钱庆一;张斌;牟志星;张兴凯4.膨胀石墨作为质子交换膜燃料电池双极板材料研究 [J], 余丽;赵志鹏;卢璐;史继诚;徐洪峰5.质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的腐蚀行为及其表面防护的研究进展 [J], 谭茜匀;王艳丽因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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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）
整体材料
19
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
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
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
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）
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！
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
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
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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
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
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
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
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
– 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
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)
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
+பைடு நூலகம்低粗糙度 生产成本
Ar+
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。
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
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
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。
– Nitrides/氮化物
– Ceramics/陶瓷
– Glass/玻璃 – Plastics/塑料