氢燃料电池发动机电堆双极板涂层

我们聚焦于氢燃料电池发动机电堆的核心部件——双极板（Bipolar Plate, BPP）的涂层技术。这是决定电堆性能、寿命和成本的关键之一。

为什么双极板需要涂层？

双极板构成了电堆的骨架，其作用至关重要：

• 分隔反应气体：将氢气和空气（氧气）分隔在相邻的单电池中。
• 传导电流：收集并传导电流，因此必须具备高导电性。
• 输送反应物：表面的流场通道用于均匀分配气体。
• 散热和排水：协助管理电堆热量和反应产生的水。

然而，燃料电池的工作环境极其苛刻：

• 酸性环境（pH 2~3）
• 高电位（>1.4 V）
• 高温（~80°C）
• 高湿度

在这种环境下，金属双极板（如不锈钢、钛合金）会迅速发生腐蚀，导致：

• 金属离子溶出：污染膜电极（MEA），毒化催化剂，导致性能永久性衰减。
• 形成氧化膜：在表面产生不导电的金属氧化物钝化层，导致接触电阻急剧增大，大幅降低电堆的输出功率和效率。
• 点蚀穿孔：最终可能导致气体窜漏，电堆完全失效。

因此，为金属双极板施加一层兼具高导电性、高耐腐蚀性和良好附着力的防护涂层是必不可少的。

双极板涂层的核心要求

一个理想的涂层必须满足以下严苛要求：

• 高导电性：面电阻 < 10 mΩ·cm² ；最小化欧姆损失，提升电堆输出功率和效率
• 卓越的耐腐蚀性：腐蚀电流 < 1 μA/cm² ；在阳极和阴极环境下长期稳定，寿命达到数千甚至上万小时
• 高致密性：无贯穿孔隙；完全隔绝腐蚀介质与基体金属接触
• 良好的附着力：通过胶带剥离测试； 防止涂层在装配、运行和热循环中剥落
• 良好的机械性能：高硬度、耐磨；抵抗装配压力和运行中的振动磨损

主流涂层类型与技术

涂层技术主要分为碳基涂层和金属基涂层两大类。

1. 碳基涂层

这类涂层化学性质稳定，耐腐蚀性极佳，是当前研发和应用的主流。

• 石墨/无定形碳涂层：
  – 材料：类金刚石（DLC）或其变体。
  – 优点：极其致密、坚硬、化学惰性，耐腐蚀性非常好。
  – 挑战：内应力较大，易产生微裂纹；导电性有时难以兼顾。
• 导电聚合物复合材料涂层：
  – 材料：聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPY）等与碳材料（石墨烯、碳纳米管）复合。
  – 优点：成本较低，工艺简单，韧性好。
  – 挑战：长期稳定性有待验证，导电性相对较低。

2. 金属基涂层

• 贵金属涂层：
  – 材料：金（Au）、铂（Pt）、钽（Ta）等。
  – 优点：导电性和耐腐蚀性极其优异，性能最好。
  – 挑战：成本极其高昂，是制约其大规模商业应用的主要障碍。
• 金属氮化物/碳化物涂层：
  – 材料：氮化钛（TiN）、铬氮化物（CrN）、碳化铬（CrC）等。
  – 优点：硬度高、耐磨性好、导电性良好。
  – 挑战：存在针孔缺陷风险，可能导致局部腐蚀。

涂层制备工艺

层制备工艺多样，主要分为物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、热喷涂和湿化学工艺等几大类。

• 物理气相沉积（PVD）是在真空环境下，利用物理方法将材料源气化并沉积到基材表面形成薄膜的技术。其优点是涂层致密、均匀且附着力好，但缺点是设备昂贵、沉积速率慢，并且对具有复杂流道的双极板覆盖能力有限，主要适用于金属氮化物和类金刚石碳（DLC）等涂层。
• 化学气相沉积（CVD）则是利用气态先驱物在基体表面发生化学反应从而生成固态薄膜的工艺。它的最大优势是对复杂的三维结构具有优异的覆盖性，且涂层质量高。然而，该过程通常需要在高温下进行，这可能影响基材的性能，并且有时会使用到有毒的工艺气体，主要适用于石墨烯和无定形碳等涂层。
• 热喷涂工艺通过将涂层材料加热至熔融或半熔融状态，再用高速气流将其喷射到基材表面形成涂层。其优点是沉积速率快、成本相对较低；缺点是涂层通常较为多孔、表面粗糙，可能需要进行后续加工来达到密封或光滑的要求，主要用于金属合金和复合材料的涂层制备。
• 超声波喷涂，是一种非真空的解决方案。该工艺将含有涂层功能材料的液体浆料通过超声波能量雾化成均匀细密的液滴，喷涂到基材上后再经过热处理烧结成膜。其突出优点是能够实现超薄且均匀的涂层、材料利用率极高（>95%）、综合成本低。其挑战在于涂层通常是多种材料的复合材料，其纯度和致密性需要通过优化配方和工艺来提升，主要适用于石墨烯、导电碳黑等碳基复合材料涂层。

总结与发展趋势

双极板涂层是材料科学、表面工程与电化学的交叉领域。目前的发展趋势是：

• 低成本化：寻找贵金属涂层的替代方案，如开发高性能的非贵金属复合涂层。
• 高性能化：通过多层/梯度结构设计，同时满足导电、防腐和附着力要求。
• 工艺优化：开发像超声波喷涂一样能兼顾性能、成本和复杂形状覆盖能力的新工艺。
• 新材料探索：石墨烯、MXene等新型二维材料因其优异的导电和阻隔性能成为研究热点。

没有一种“完美”的涂层方案，当前的选择是性能、寿命、成本和工艺复杂性之间的权衡。但毫无疑问，先进的涂层技术是推动金属双极板乃至整个氢燃料电池产业商业化成功的关键一环。

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