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质子交换膜燃料电池不锈钢双极板电弧离子镀膜改性研究

1.引言

1.1质子交换膜燃料电池背景介绍

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种高效的能源转换装置，因其高能量转换效率、低排放和安静运行等特点，在新能源汽车、便携式电源和固定式发电等领域显示出巨大的应用潜力。PEMFC主要由膜电极组件（MEA）、双极板（BP）和端板等构成，其中双极板在电池中起到支撑结构、分配气体和导电的重要作用。

1.2不锈钢双极板在燃料电池中的应用

不锈钢双极板由于其优良的机械性能、导电性和成本效益，被认为是替代传统石墨双极板的理想材料。然而，不锈钢在燃料电池的酸性环境下容易腐蚀，限制了其应用范围。因此，如何通过表面改性技术提高不锈钢双极板的耐腐蚀性，成为研究的焦点。

1.3电弧离子镀膜改性技术简介

电弧离子镀膜技术是一种物理气相沉积（PVD）技术，通过在真空条件下，利用弧光放电产生的等离子体将靶材材料蒸发并沉积在被镀物体表面，形成均匀、致密的薄膜。这种技术可以在不锈钢表面镀覆一层耐腐蚀、低电阻的薄膜，从而提高双极板的性能。

2不锈钢双极板改性研究

2.1不锈钢双极板改性方法

不锈钢双极板作为质子交换膜燃料电池的关键部件之一，其表面改性的目的主要是提高其耐腐蚀性、导电性和机械强度。目前，常见的改性方法包括化学镀、电镀、阳极氧化、物理气相沉积（PVD）等。在这些方法中，电弧离子镀膜改性因其在镀膜附着力、致密性及耐腐蚀性方面的优势而受到关注。

2.2电弧离子镀膜改性原理

电弧离子镀膜技术是利用真空电弧产生的高能离子对双极板表面进行轰击，使镀膜材料蒸发并在基底表面沉积形成均匀、致密的膜层。这一过程中，高能离子具有极佳的镀膜质量，能够有效改善双极板表面的物理和化学性质。电弧离子镀膜改性不仅提高了双极板的耐腐蚀性能，同时也对其电化学性能产生积极影响。

2.3电弧离子镀膜改性实验方案

实验采用电弧离子镀膜系统对不锈钢双极板进行表面改性，具体实验方案如下：

实验准备：选取适当规格的不锈钢双极板，进行清洗、去油、粗化等前处理，以确保镀膜质量。

镀膜过程：将处理好的双极板放入真空镀膜室内，调整镀膜参数，如电流、电压、弧光稳定性等，进行镀膜。

镀膜材料：选择具有优良耐腐蚀性能的金属材料，如铬、钛、钼等，作为镀膜材料。

镀膜厚度：根据实验需求，调整镀膜时间，以控制镀膜层的厚度。

后处理：镀膜完成后，对双极板进行适当的后处理，如高温烘烤、表面抛光等，以提高镀膜层性能。

性能测试：对改性后的双极板进行物理、化学及电化学性能测试，评估镀膜改性效果。

通过以上实验方案，可以针对不锈钢双极板进行有效的电弧离子镀膜改性，为后续研究提供实验基础。

3电弧离子镀膜改性过程分析

3.1镀膜过程参数优化

在电弧离子镀膜改性过程中，为了获得高质量、耐腐蚀的镀膜层，必须对镀膜过程中的各项参数进行优化。这些参数包括镀膜功率、沉积速率、气体流量、负偏压等。通过正交实验设计和方差分析，确定了各参数对镀膜层性能的影响程度，并找到了最佳参数组合。

镀膜功率对镀膜层的结晶性和致密性有显著影响。在一定范围内，提高镀膜功率有利于镀膜层与基体的结合力及镀膜层致密性的提升。然而，过高的功率会导致基体温度升高，影响镀膜层的结构。

沉积速率则直接关系到镀膜层的厚度。合适的沉积速率可以保证镀膜层在较短时间内达到所需厚度，同时避免因速率过快导致的镀膜层缺陷。

气体流量对镀膜层的均匀性和表面粗糙度有重要影响。调节气体流量可以使反应气体在镀膜室内充分扩散，提高镀膜层的均匀性和表面光滑度。

负偏压对镀膜层的耐腐蚀性能有显著影响。适当的负偏压可以增加镀膜层与基体的结合力，提高镀膜层的耐腐蚀性能。

3.2镀膜层结构与性能表征

通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和能谱分析（EDS）等技术对镀膜层的表面形貌、晶体结构和成分进行了详细表征。结果表明，经过优化的电弧离子镀膜改性工艺可以获得表面光滑、结晶性好、成分均匀的镀膜层。

此外，利用纳米压痕仪、划痕仪和电化学工作站等设备对镀膜层的硬度、结合力和耐腐蚀性能进行了测试。结果表明，镀膜层的硬度和结合力得到显著提高，耐腐蚀性能也得到明显改善。

3.3镀膜层耐腐蚀性能分析

采用电化学阻抗谱（EIS）和极化曲线测试对镀膜层在模拟燃料电池环境中的耐腐蚀性能进行了分析。结果表明，经过电弧离子镀膜改性的不锈钢双极板在模拟燃料电池环境中的耐腐蚀性能得到显著提高。

这主要归因于镀膜层的致密结构和良好的耐腐蚀性能，有效阻止了腐蚀介质对基体的侵蚀。此外，镀膜层与基体的结合力强，避免了因镀膜层脱落导致的腐蚀加速现象。这为不锈钢双极板在质子交换膜燃料电池中的应用提供了有力保障。

4改性对不锈钢双极板性能影响

4.1改性前后双极板物理性能对比

不锈钢双极板在经过电弧离子镀膜改