摘 要

本实验对于以铝合金当作质子交换膜燃料电池的双极板性能不足，容易被腐蚀，导电性能差的问题，提出使用磁控溅射离子镀技术在铝基体上镀一层TiN镀层并在TiN镀层中掺银来解决以上问题。选择在铝合金表面镀上一层TiN镀层使得铝合金基体耐蚀性能提高，然后在TiN中掺银，目的是用以提高其导电性能。通过改变TiN镀层中Ag的含量，研究其对于镀层的导电性的影响，试验为在铝合金上镀TiN镀层,不同Ag含量的五组TiN/Ag镀层用以进行对照试验组进行试验。进行试验后可以看出当掺Ag的量越来越多时，镀层的导电耐腐蚀性能越强，当掺Ag量达到0.08A时，TiN/Ag镀层的腐蚀电流密度最低，其数值为1.35×10^-5/A·cm^-2，镀层耐蚀性能最好。当银掺量达到0.08A时，TiN/Ag镀层的接触电阻也最小，导电性能最好。

关键词：质子交换膜燃料电池 金属双极板 磁控溅射 导电耐蚀性

Effect of Ag Content on Conductivity and Corrosion Resistance of TiN Thin Films

Abstract

In this experiment, the TiN coating is coated on the aluminum matrix by using magnetron sputtering ion plating technology for the problem that the bipolar plate with aluminum alloy as the proton exchange membrane fuel cell is not good, it is easy to be corroded and the conductivity is poor. In the TiN coating silver mixed to solve the above problems. Selecting a layer of TiN plating on the surface of the aluminum alloy so that the corrosion resistance of aluminum alloy matrix, and then mixed in the TiN silver, the purpose is to improve its conductivity. By changing the content of Ag in TiN coating, the effect of TiN coating on the conductivity of the coating was studied. Five TiN / Ag coatings with different Ag contents were tested for TiN coating. After the test, it can be seen that when the amount of Ag doped is more and more, the corrosion resistance of the coating is stronger. When the amount of Ag is 0.08A, the corrosion current density of the coating is the lowest, the value of TiN/Ag coating is 1.35 × 10^-5 / A · cm^-2, the best corrosion resistance of the coating. When the silver content of 0.08A, the TiN/Ag coating contact resistance is the smallest, the conductivity is the best.

Keywords: Proton-exchange membrane fuel cell；metal double plate；magnetron sputtering；conductive resistance

目录

摘要 I

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 质子交换膜燃料电池 1

1.2.1 质子交换膜燃料电池的工作原理 1

1.2.2 质子交换膜燃料电池的成长空间 2

1.3 双极板 3

1.3.1 传统双极板概述 3

1.3.2 金属双极板的优劣势 3

1.4 磁控溅射技术 3

1.4.1 磁控溅射技术的概述 3

1.4.2 磁控溅射技术的原理 4

1.4.3 磁控溅射离子镀的影响因素 5

1.5 课题研究 5

1.5.1 国内外研究现状 5

1.5.2 课题目的 6

1.5.3 课题研究内容 6

第二章 实验条件和方法 7

2.1 实验内容与实验方法 7

2.1.1 实验内容： 7

2.1.2 实验方法： 7

2.2 实验材料预处理 7

2.2 设备及工艺简介 8

2.2.1 镀膜设备 8

2.2.1 镀膜过程 8

2.3 界面接触电阻 9

2.3.1 测试方法 9

2.4 扫描电子显微镜测试 10

2.5 X射线衍射（XRD） 10

2.5 耐蚀性测量 11

2.5.1 电化学腐蚀原理 11

2.5.2 电化学工作站 11

第三章 实验结果分析与讨论 13

3.1 镀层表面形貌 13

3.1.1 TiN镀层的表面形貌 14

3.1.2 Ti-Ag镀层，Ag镀层及Ti镀层的表面形貌 15

3.2 镀层厚度 16

3.2.1 TiN镀层以及不同Ag含量的TiN/Ag镀层截面图像 16

3.2.2 Ti-Ag镀层，Ag镀层及Ti镀层的截面图像 18

3.3 X射线衍射分析（XRD） 19

3.4 镀层表面接触电阻测试结果 20

3.5 镀层耐蚀性测试结果分析 21

第四章 结论 23

参考文献 24

致谢 26

第一章 绪论

1.1 引言

燃料电池是一种新型的能源，能够有效的提供动力，并且其产物只有水，并不会造成环境污染。他可以将氢燃烧释放的的能量转化为电能，是一种功效高、无污染与高功率密度的电能提供装置，是近年来的重点研究电池装置。燃料电池通过燃烧氢气将释放出来的能量转化为电能作为动力能源，不仅能获得充足的电能，并且因为氢气燃烧的产物只有水的存在，也就不会造成严重的环境污染。燃料电池种类很多，性能也各不相同，其中质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC) ^[1]作为第五代燃料电池具有功率密度高、工作温度低、启动迅速等许多独特的优点，是电动汽车的理想电源具有十分广阔的商业前景，因而成为世界上各大汽车公司竞相研究的技术热^[1]。车载燃料电池经过最近十几年的研究和探索，在关键材料、部件和车辆示范运行方面都取得了较大的进步，然而燃料电池的使用时间长短问题和成本问题成为其最为关键的的技术瓶颈问题。因此从材料的原子、分子尺度设计出发，研究材料结构关系与可控规模制备推动车用燃料电池的技术进步，促进燃料电池产业化进程^[2]。质子交换膜燃料电池可用作车载电源，便携式移动电源，小型发电站等，适用于军事、航天、地质、通讯、气象观测站、医院等众多领域，提供高稳定性、高可靠性的电源^[3]。

1.2 质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池是一种具有很好的效益，不产生环境污染的电池以在许多的方面都受到了广泛的应用^[4]。质子交换膜燃料电池有着节能，环保，节约自然资源等优点。因为其这些优点而十分适合作为动力电池使用。

1.2.1 质子交换膜燃料电池的工作原理

质子交换膜燃料电池是的两电极的反应式如下：

阳极(负极)：2H₂-4e^-=4H

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