随着经济与社会迅速发展,能源问题逐渐为世界各国所重视。传统的化石能源存在不可再生及严重污染环境等问题,发展无污染可再生能源成为彻底解决能源问题的唯一出路。燃料电池(fuel cell, FC)作为可再生清洁能源的一种重要形式,具有能量转化效率高、无污染等优点。其中,质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)在交通、便携式能源以及军事等领域有着广泛的应用前景,特别是有望成为未来主要的车载动力源。双极板(bipolar plates, BPPs)是质子交换膜燃料电池的重要组成部分,起到收集传导电流、分隔氧化剂和还原剂以及支撑电池等作用。双极板占整个电池重量和成本的很大比重,降低双极板成本是降低燃料电池价格的最关键因素之一。但是,传统的人造石墨双极板体积庞大、阻气性差、撞击安全性差、相对成本也较高。金、银等贵金属双极板虽然各方面性能优良,但其价格却极其昂贵,严重阻碍了PEMFC的商业化发展进程。如果能以不锈钢薄板来替代石墨或贵金属板作为双极板,则无疑会大大降低燃料电池的生产成本,但是不锈钢虽然具有很好的导电、导热性,高的机械强度以及易加工等优点,可它在PEMFC的复杂环境中化学稳定性很差,同时板-膜间的接触电阻也很大,致使电池在运行过程中双极板过快腐蚀和功率衰减严重,因此不锈钢薄板作为双极板来直接使用还存在着致命的性能缺陷问题。在不锈钢表面用气相沉积技术制备改性薄膜是解决问题的可行手段,如果沉积的薄膜在电池的氧化、还原环境中具有较强的耐蚀性能,同时又具有很高的导电性,那么与不锈钢基体的其他优良性能相结合,则会达到替代贵金属和石墨双极板的目的,这将大大促进质子交换膜燃料电池的产业化发展进程。本文即针对质子交换膜燃料电池用316L不锈钢双极板进行表面镀膜改性研究,镀膜采用等离子体基PVD技术中的典型工艺——电弧离子镀技术,在普通商用316L不锈钢表面沉积一系列不同成分和组织结构的改性薄膜,目的是开发、寻找既导电又耐蚀,同时又具有一定强化和疏水性能的改性薄膜,使之与不锈钢基体一起构成高性能的双极板,以替代石墨和贵金属双极板,这将在等离子体物理应用技术、新材料开发和燃料电池领域,具有重要的理论和现实意义。具体研究内容及主要研究结果如下：(1)不锈钢双极板表面沉积NiCr金属薄膜研究在不锈钢双极板表面用电弧离子镀技术沉积制备了不同成分的NiCr薄膜以及氮化处理的NiCr薄膜。测试结果表明,镀NiCr薄膜的不锈钢双极板的表面性能有一定改善,其接触电阻较小,薄膜经氮化后更有利于降低接触电阻。在0.85MPa压紧力下,镀膜双极板的接触电阻最小值为20.8 mQ cm2,和原始不锈钢基体相比,降低幅度超过1个数量级。但是在模拟腐蚀环境中,镀膜双极板的耐蚀性能较差,其耐腐蚀性能与不锈钢基体基本相当,说明镀NiCr薄膜无法有效提高双极板的耐蚀性能。分析表明,由于电弧蒸发等离子体中存在固有的中性粒子团簇致使薄膜表面形成大量富Ni的“大颗粒”,是导致镀膜双极板耐蚀性能较差的主要原因。因此在NiCr薄膜材料中摒弃Ni元素有望提高双极板的耐蚀性能。(2)不锈钢双极板表面沉积Cr/CrN多层薄膜研究在不锈钢双极板表面用电弧离子镀技术制备了Cr/CrN双层和Cr/CrN/Cr三明治结构两种Cr-N薄膜。测试结果表明,镀膜双极板的接触电阻和耐腐蚀性能均有所改善,其中镀Cr/CrN/Cr三明治结构的薄膜双极板性能更佳。在0.85MPa压紧力下,镀膜双极板的接触电阻最小值为60.3 mΩcm2,与不锈钢基体相比,降低幅度约1个数量级。在模拟腐蚀环境中,镀膜双极板的腐蚀电位高于基体腐蚀电位。在阴极环境下,镀膜双极板的腐蚀电流密度小于基体腐蚀电流密度；在阳极环境下,仅镀三明治结构薄膜双极板的腐蚀电流密度小于基体腐蚀电流密度。薄膜表征结果表明,直接将CrN薄膜沉积到不锈钢表面时,薄膜会因膜基应力过大而发生破裂；在两者之间增加Cr膜作为过渡层,可以减缓应力而避免薄膜破裂。其中薄膜自身发生破裂是导致镀Cr/CrN薄膜双极板性能较差的主要原因。分析表明,薄膜的多层结构可能导致接触电阻增大,因此改Cr-N薄膜为单层结构并进一步优化薄膜中的成分组合有望进一步提高双极板的性能。(3)不锈钢双极板表面沉积CrNx薄膜研究在不锈钢双极板表面用电弧离子镀技术制备了不同成分的单层CrNx薄膜。测试结果表明,镀膜处理后的双极板性能显著提高。在1.2MPa压紧力下,镀膜双极板的接触电阻最小值为5.8 mΩcm2,和不锈钢基体相比,降低幅度为2个数量级。在模拟腐蚀环境中,与不锈钢基体相比,镀膜双极板的腐蚀电流密度降低幅度也近2个数量级。同时改性双极板的疏水性能也有很多改善,水接触角从不锈钢的73°增大到95°。薄膜表征结果表明,随着镀膜过程中N2流量的增加,薄膜的氮含量也随之增加,薄膜的相组成也从多相Cr+Cr2N变为单相Cr2N,再变为多相Cr2N+CrN,最后变为单相CrN。分析表明,单相组成且有明显择优取向的薄膜接触电阻更小,单相薄膜亦表现出较好的耐蚀性能。该镀膜双极板初步具备替代贵金属双极板的综合性能,但其导电性尚未完全达到贵金属的水平。(4)不锈钢双极板表面沉积CrCx薄膜改性研究在不锈钢双极板表面用电弧离子镀技术制备了一系列不同成分的单层CrCx薄膜。测试结果表明,镀膜改性后的不锈钢双极板性能大幅度提升,特别是双极板的接触电阻大幅度降低,已完全达到贵金属双极板(镀银双极板)的水平。在1.2MPa压紧力作用下,改性双极板的接触电阻最小值达到2.8 mQ cm2,和不锈钢基体相比,降低幅度超过2个数量级。在模拟腐蚀环境中,和不锈钢基体相比,镀膜双极板的腐蚀电流密度降低幅度超过2个数量级。在模拟电池运行环境条件下,改性双极板亦表现出明显优于不锈钢基体的接触电阻和耐腐蚀性能。同时镀膜双极板的疏水性能进一步提高,水接触角提高到105°。薄膜表征结果显示,薄膜主要由非晶碳组成,并包含少量金属Cr晶体相。向薄膜中掺入的Cr元素,可以显著影响碳原子之间的成键方式。分析表明,薄膜中sp2键和sp3键碳原子含量与薄膜接触电阻密切相关,sp2键的比例越高,镀膜双极板的接触电阻越低。(5)镀膜双极板装堆电池运行性能研究鉴于镀CrNx薄膜(Cro50No50)和镀CrCx薄膜(Cro23Co77)双极板的性能突出,分别进行该两种镀膜双极板的小批量处理并组装电池进行运行,考察电池的实际运行性能。测试结果表明,镀CrNx薄膜双极板电池初始性能接近实际应用水平,镀CrCx薄膜双极板电池初始性能达到实际应用水平,并且在200小时强化运行过程中,电池运行稳定且性能未发生明显衰减,已具备批量处理装堆进行中等规模运行试验的条件。