质子交换膜燃料电池(PEMFC)将氢能转变成电能,是一种高效、清洁的能源装置,在汽车动力、分散式发电系统等工业领域具有广泛的应用前景。然而双极板部件的性能和寿命不足成了 PEMFC进一步商业化的主要障碍之一。为解决该问题,目前常通过在金属双极板上制备导电耐蚀镀层,从而使其满足PEMFC服役性能及寿命要求。现行镀层材料设计方法沿袭着和传统材料设计相同的思路,即“经验指导实验,实验试错”的模式。然而随着高精度材料性能计算工具的成熟,和材料基因组计划下高通量计算方法的出现,以“计算预测性能,实验验证”为理念的性能导向型材料设计方法为PEMFC金属双极板镀层材料的设计提供了新的思路。本文以双极板服役性能要求为出发点,设计了以导电性、耐蚀性和结合力为主要考察的第一性原理高通量计算筛选方案,通过:元素导电性和耐蚀性的计算筛选;化合物耐蚀性和稳定性的筛选;化合物导电性计算筛选;化合物膜基结合力计算筛选四个步骤得到了 CrN,Ta2N,TiCo3等新型镀层体系,将计算结果与现有试验结果比较,验证了计算方案的可行性与结果的正确性。基于金单质优良的导电性能和较高的化学稳定性,通过磁控溅射方法在316L不锈钢基底上成功制备了金镀层。探索了基体偏压、工作气体流量和溅射时间对金镀层性能与组织的影响,通过模拟PEMFC环境下的动电位极化曲线和表面接触电阻测试对金镀层耐腐蚀性能和导电性进行评估;采用XRD、AFM、SEM对镀层的相组成和微观组织形貌进行了分析与表征。结果表明:镀层的导电性和耐蚀性随偏压的增大先提升后降低,当偏压为-200V时,镀层表面呈岛状团聚状,分布均匀且致密,镀层各方面性能最佳;工作气体流量对镀层性能影响不大,但是当气体流量下降到5sccm后,较低的等离子体浓度使镀层均匀性下降,导致镀层性能降低;当溅射时间达到5分钟之后,镀层的厚度与表面团聚态岛状致密程度可对不锈钢基体起到良好的腐蚀保护作用。在最优的工艺参数下,镀层的腐蚀电流密度下降到0.25μA/cm2,接触电阻降低为1.5 mΩ·cm2(140N/cm-2 压紧力),相比于不锈钢(17.91μA/cm2,123 mΩ·cm2)性能有了大幅度的提升。