北科院歐伊翔研究團隊在氫燃料電池金屬雙極板研發及應用方面取得新突破

圖1.深振蕩磁控濺射離子增強沉積技術平臺

圖2.（a）無氫超薄(Cr,Ti)-C-N/a-C 納米涂層的XRD圖譜和（b）0.84 V恒電位極化腐蝕曲線

氫能及燃料電池技術是實現碳達峰碳中和目標的關鍵技術之一，是北京市政府新能源汽車推廣應用工作方案中的重點核心環節之一。近日，北京市科學技術研究院輻射技術研究所的歐伊翔研究團隊依托財政資金創新工程項目，圍繞高性能涂層關鍵制備技術與氫能及燃料電池核心關鍵材料技術的應用領域重大需求，自主研發了一套適用于氫燃料電池金屬雙極板涂層的工藝裝備，并進行了金屬雙極板涂層的試制，具備了小批量生產的條件。

雙極板是質子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）的核心關鍵部件，對燃料電池的壽命、成本及性能具有重要影響。相比于石墨雙極板和碳基復合材料雙極板，金屬雙極板體積小、強度高、導電性能優異，已成為PEMFC雙極板的主流材料。但是，金屬雙極板在PEMFC酸性環境中產生腐蝕開裂，且雙極板表面生成的氧化膜會降低其導電性，嚴重阻礙了金屬雙極板的進一步工程應用。為解決金屬雙極板的耐腐蝕問題，開發一種具有高強韌性、導電性、耐腐蝕的超薄涂層材料及其大面積工程制備技術是實現高性能、長壽命、低成本的金屬雙極板電堆的關鍵，但是現有涂層制備技術目前尚有不足，國產設備難以滿足氫燃料電池金屬雙極板制備的需要，相關涂層技術裝備受制于國外。

歐伊翔團隊基于多年在高性能涂層制備技術及工藝的經驗，設計并集成了四靶閉合場非平衡磁控濺射系統、脈沖直流電源和深振蕩磁控濺射電源，研制了低能量、高通量的等離子體增強沉積技術一體化裝備。同時，利用國際前沿技術-深振蕩磁控濺射離子增強沉積技術，自主研發了具有自主知識產權的金屬雙極板涂層可控制備技術，并研發了適合金屬雙極板涂層小批量制備工藝。

研究團隊制備的金屬雙極板涂層在材料成本、性能和壽命以及技術裝備均優于市場同類競品。經檢測，深振蕩磁控濺射離子增強沉積技術制備的金屬雙極板用無氫超薄(Cr,Ti)-C-N/a-C納米涂層，涂層的表面納米硬度≥12GPa、斷裂韌性K1c≤3MPam1/2、接觸電阻≤3mΩ·cm2、腐蝕介質PH=3,HSO4+0.lppm HF溶液中動電位陽極極化和0.84V恒電位極化腐蝕電流密度≤1x10-7 A·cm2，這些核心關鍵指標均高于市場競品指標，具有巨大市場應用情景。后續，將繼續推進金屬雙極板涂層技術裝備的產業化應用。

目前，該成果的研發團隊已發表高水平論文4篇，申請發明專利5項，授權實用新型專利2項，申請軟件著作權登記2項。項目開發的深振蕩磁控濺射離子增強平臺承擔了國家自然科學基金面上項目1項、國防XX項目2項、企業委托項目3項，推進成果轉化項目1項。此外，歐伊翔團隊受Progress in Materials Science期刊（IF=48.165）邀請，撰寫“Recent advances and strategies for high-performance coatings”，重點評述了團隊在深振蕩磁控濺射離子增強沉積技術成果。接下來，該研究團隊進一步針對單電堆性能及大功率堆性能與壽命的研究，同時，聚焦產業應用的難點問題，解決氫能領域企業的應用技術難點，并開展進一步產學研合作，加快研發成果應用，助力我國氫能及燃料電池領域的發展。