北科院欧伊翔研究团队在氢燃料电池金属双极板研发及应用方面取得新突破

图1.深振荡磁控溅射离子增强沉积技术平台

图2.（a）无氢超薄(Cr,Ti)-C-N/a-C 纳米涂层的XRD图谱和（b）0.84 V恒电位极化腐蚀曲线

氢能及燃料电池技术是实现碳达峰碳中和目标的关键技术之一，是北京市政府新能源汽车推广应用工作方案中的重点核心环节之一。近日，北京市科学技术研究院辐射技术研究所的欧伊翔研究团队依托财政资金创新工程项目，围绕高性能涂层关键制备技术与氢能及燃料电池核心关键材料技术的应用领域重大需求，自主研发了一套适用于氢燃料电池金属双极板涂层的工艺装备，并进行了金属双极板涂层的试制，具备了小批量生产的条件。

双极板是质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）的核心关键部件，对燃料电池的寿命、成本及性能具有重要影响。相比于石墨双极板和碳基复合材料双极板，金属双极板体积小、强度高、导电性能优异，已成为PEMFC双极板的主流材料。但是，金属双极板在PEMFC酸性环境中产生腐蚀开裂，且双极板表面生成的氧化膜会降低其导电性，严重阻碍了金属双极板的进一步工程应用。为解决金属双极板的耐腐蚀问题，开发一种具有高强韧性、导电性、耐腐蚀的超薄涂层材料及其大面积工程制备技术是实现高性能、长寿命、低成本的金属双极板电堆的关键，但是现有涂层制备技术目前尚有不足，国产设备难以满足氢燃料电池金属双极板制备的需要，相关涂层技术装备受制于国外。

欧伊翔团队基于多年在高性能涂层制备技术及工艺的经验，设计并集成了四靶闭合场非平衡磁控溅射系统、脉冲直流电源和深振荡磁控溅射电源，研制了低能量、高通量的等离子体增强沉积技术一体化装备。同时，利用国际前沿技术-深振荡磁控溅射离子增强沉积技术，自主研发了具有自主知识产权的金属双极板涂层可控制备技术，并研发了适合金属双极板涂层小批量制备工艺。

研究团队制备的金属双极板涂层在材料成本、性能和寿命以及技术装备均优于市场同类竞品。经检测，深振荡磁控溅射离子增强沉积技术制备的金属双极板用无氢超薄(Cr,Ti)-C-N/a-C纳米涂层，涂层的表面纳米硬度≥12GPa、断裂韧性K1c≤3MPam1/2、接触电阻≤3mΩ·cm2、腐蚀介质PH=3,HSO4+0.lppm HF溶液中动电位阳极极化和0.84V恒电位极化腐蚀电流密度≤1x10-7 A·cm2，这些核心关键指标均高于市场竞品指标，具有巨大市场应用情景。后续，将继续推进金属双极板涂层技术装备的产业化应用。

目前，该成果的研发团队已发表高水平论文4篇，申请发明专利5项，授权实用新型专利2项，申请软件著作权登记2项。项目开发的深振荡磁控溅射离子增强平台承担了国家自然科学基金面上项目1项、国防XX项目2项、企业委托项目3项，推进成果转化项目1项。此外，欧伊翔团队受Progress in Materials Science期刊（IF=48.165）邀请，撰写“Recent advances and strategies for high-performance coatings”，重点评述了团队在深振荡磁控溅射离子增强沉积技术成果。接下来，该研究团队进一步针对单电堆性能及大功率堆性能与寿命的研究，同时，聚焦产业应用的难点问题，解决氢能领域企业的应用技术难点，并开展进一步产学研合作，加快研发成果应用，助力我国氢能及燃料电池领域的发展。