文献综述

1.前言

质子交换膜（PEM）燃料电池被认为是一种清洁、安静、高效的发电装置，因为它可以将氢气，氧气或空气气体直接转化为电能，而水和热作为副产品[1]，其工作电流大(0.5 A/cm2 ～ 2.0 A/cm2 , 0.6 V), 比功率高(0.6 kW/dm3 ～ 1.0 kW/dm3), 电解质是一种固体膜, 不怕震动, 冷启动快, 工作温度低(一般为60 ℃～ 100 ℃).使其成为电动汽车的理想能源 [2-6]。由于其低的工作温度（约60-80℃），高功率密度和快速启动停止过程等，PEM燃料电池已被广泛关注，其在运输，固定电站，便携站，军事均有潜在价值[2]。

2.双极板

双极板是PEM燃料电池的关键部分，占据了几乎所有的质量（占据全部重量的近80％），也是最昂贵的部件之一（占整个堆栈成本的几乎40％）， PEM燃料电池组件，这严重阻碍了PEM燃料电池的推广和商业化[3]。此外，双极板是PEM燃料电池中的多功能部件。它将反应气体（氢气，氧气或空气）均匀地分布在整个表面上，将电子从阳极传导到阴极，促进水管理并在电池内提供热管理[4-7]。近来，石墨双极板被广泛应用于PEM燃料电池中，因为它们具有高导电性，低界面接触电阻（ICR），更好的耐侵蚀性以及良好的热稳定性等优点。然而，石墨双极板价格昂贵，气体渗透性不佳，机械性能也不容乐观。与石墨双极板相比，铝双极板由于其合理的成本，低的气体渗透性，优异的成形性（容易加工和成形为薄片），重量轻（比不锈钢轻65%），体积小，以及高机械强度，可被用于批量生产[8]。然而，铝质双极板会钝化，可能增加样品和碳纸之间的界面接触电阻。此外，另一个问题出现在PEM燃料电池模拟环境中，铝双极板会被点腐蚀和溶解[9-11]。结果，溶解的金属离子污染PEM燃料电池环境和膜电极，同时削弱双极板的离子导电性并最终降低PEM的电流输出性质。因此，进行了各种导电膜研究以保护铝双极板免受PEM燃料电池模拟环境中的钝化，腐蚀和溶解。例如，Show等人在钛（Ti）双极板上[12-13]沉积无定形碳（a-C）膜的研究显示，其输出功率增加到了没有a-C膜时输出功率的1.4倍。此外，Folkenant等人[14]通过磁控溅射，在不锈钢（SS）316上沉积的C / Ag膜，表现出了高导电性。结果表明，在1.0MPa的压力下，ICR降低到23mΩcm2。 Mori等人[15]在主要由sp2和sp3键合组成的SS316L双极板上沉积导电a-C膜，将界面接触电阻降低两个数量级。此外，Liu等人[16]通过喷射稳定的碳纳米颗粒，在不锈钢上沉积掺杂银的碳膜，结果显示，在1.2MPa的压力下，ICR降低至21.6mΩcm2。因此，应对铝双极板长期操作和持续时间的要求，表面改性对于提高导电性和抑制铝基底在使用寿命期间的侵蚀具有重要意义。然而，由于无定形碳膜的缺陷，如针孔和由物理气相沉积工艺产生的较大颗粒，单层膜在长时间浸渍后容易局部腐蚀。最近研究表明，多层复合膜比单层膜具有更多的改进的性能，因为针孔比例减少。虽然有一些关于铝的表面改性的概述，到目前为止，这些研究论文仍然缺乏柱状无定形碳结构的应用和银逃逸现象的实验证实，以制备多层复合膜。

3.磁控溅射原理

控溅射技术概述磁控溅射技术作为一种十分有效的薄膜沉积方法,被普遍和成功地应用于许多方面,特别是在微电子、光学薄膜和材料表面处理领域中,用于薄膜沉积和表面覆盖层制备。 控溅射技术基本原理磁控溅射系统是在基本的二极溅射系统发展而来,解决二极溅射镀膜速度比蒸镀慢很多、等离子体的离化率低和基片的热效应明显的问题。磁控溅射系统在阴极靶材的背后放置100～1000Gauss强力磁铁,真空室充入0.1～10Pa压力的惰性气体(Ar),作为气体放电的载体。在高压作用下Ar原子电离成为Ar 离子和电子,产生等离子辉光放电,电子在加速飞向基片的过程中,受到垂直于电场的磁场影响,使电子产生偏转,被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内,电子以摆线的方式沿着靶表面前进,在运动过程中不断与Ar原子发生碰撞,电离出大量的Ar 离子,与没有磁控管的结构的溅射相比,离化率迅速增加10～100倍,因此该区域内等离子体密度很高。经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚,最终落在基片、真空室内壁及靶源阳极上。而Ar 离子在高压电场加速作用下,与靶材的撞击并释放出能量,导致靶材表面的原子吸收Ar 离子的动能而脱离原晶格束缚,呈中性的靶原子逸出靶材的表面飞向基片,并在基片上沉积形成薄膜。 磁控溅射技术优点（1）沉积速度快、基材温升低、对膜层的损伤小；（2）对于大部分材料，只要能制成耙材，就可以实现溅射； （3）溅射所获得的薄膜与基片结合较好；（4）溅射所获得的薄膜纯度高、致密性好、成膜均匀性好；（5）溅射工艺可重复性好，可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜； （6）能够精确控制镀层的厚度，同时可通过改变参数条件控制组成薄膜的颗粒大小；（7）不同的金属、合金、氧化物能够进行混合，同时溅射于基材上； （8）易于实现工业化。

参考文献 [1]王凤娥. 质子交换膜燃料电池的研究开发及应用新进展[J]. 电源技术,2002,05:383-387. [2]李文兵,齐智平. 质子交换膜燃料电池研究进展[J]. 化工科技,2005,04:55-59. [3]周未,王金全,仲未秧. PEM燃料电池的应用前景[J]. 电池工业,2004,04:208-212. [4]黄健,詹跃东,王华. PEMFC输出性能的主要影响因素及其评价方法[J]. 电源技术,2010,04:355-359. [5]谭俊,石恭臣,毛爱清,陈林. PEMFC金属双极板表面改性技术[J]. 装甲兵工程学院学报,2007,03:69-73. [6]张园园,王匀,戴亚春,丁盛,尹必峰. 质子交换膜燃料电池双极板的研究进展[J]. 电源技术,2012,06:902-904. [7]杨涛,史鹏飞. 燃料电池用碳/聚合物双极板的研究进展[J]. 电池,2008,02:127-129. [8]李芬,朱颖,李刘合,卢求元,朱剑豪. 磁控溅射技术及其发展[J]. 真空电子技术,2011,03:49-54. [9]王俊,郝赛. 磁控溅射技术的原理与发展[J]. 科技创新与应用,2015,02:35. [10]张海峰,张栋,李晓伟,鲁聪达,柯培玲,汪爱英. 直流磁控溅射非晶碳膜的导电性和耐蚀性[J]. 材料研究学报,2015,10:751-756. [11]Hyo-Yup Kim,Kyoungyoun Kim. Numerical study on the effects of gas humidity on proton-exchange membrane fuel cell performance[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2016,:. [12]Malihe Omrani,Morteza Habibi,Mohammad Saeed Moti Birjandi. Enhanced electrical conductivity of two layers AlN#8211;TiN coating on SS316L as bipolar plate using plasma focus device[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2016,:. [13]Juan Xu,Guo-Ping Sheng,Hong-Wei Luo,Wen-Wei Li,Long-Fei Wang,Han-Qing Yu. Fouling of proton exchange membrane (PEM) deteriorates the performance of microbial fuel cell[J]. Water Research,2012,466:. [14]P. Yang,C.S. Ren,D.Z. Wang,X.L. Qi,S.H. Guo,T.C. Ma. Influence of additional magnetic field on plasma parameters in magnetron sputtering[J]. Vacuum,2009,8311:. [15]Y. Zhang,R. Pitchumani. Numerical studies on an air-breathing proton exchange membrane (PEM) fuel cell[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2007,5023:. [16]D. Desideri,M. Bagatin,M. Spolaore,V. Antoni,R. Cavazzana,E. Martines,G. Serianni,M. Zuin. Characterization of a DC magnetron sputtering device[J]. COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering,2005,241:.