文 献 综 述

1.引言

能源是人类赖以生存发展的重要物质基础，也是国民经济发展的重要命脉，因而对人类及人类社会发展具有十分重要的意义。目前能源的使用现状却不容乐观。化石能源一直都是能源使用的主要部分，但是化石能源的短缺及化石能源的使用引起严重的环境污染和空气异常，可再生能源的开发使用倍受世人瞩目，以氢能为代表的高效清洁能源越来越成为社会生存与发展的必然选择，其中，燃料电池以其自身丰富的优越性而雄踞21世纪高技术之首。

燃料电池种类繁多, 性能各异, 其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell ,PEMFC)具有以下一些独特的优点:无噪声、零污染、无腐蚀、寿命长(可达8 000 h 以上);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, 亦可作为军用、民用便携式电源.具有十分广阔的应用前景.正在成为世界各国的研究热点之一[ 2-6] .

2.质子交换膜燃料电池概述

2.1 PEMFC基本原理

PEMFC 单体电池由膜电极装置(Membraneamp;Electrode Assembly,MEA)，双极板和密封垫片组成,呈三明治结构.膜电极很薄(厚度一般小于1 mm)，是在质子交换膜的两侧分别涂覆一定载量的铂基催化剂以及导电多孔透气扩散层(多采用碳纤维纸或碳纤维布)所成,形成燃料电池的阳极和阴极。当电池工作时，膜电极内发生下列过程:

(1)反应气体在扩散层内的扩散;

(2) 反应气体在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；

(3)阳极反应生成的质子在固体电解质(质子交换膜)内传递对，子经外电路到达阴极，氧气反应生成水。极反应为:

阳极(负极) ：2H₂ → 4H 4e^-

阴极(正极) ：O₂ 4H 4e^-→ 2H₂O

电池反应 : 2H₂ O₂→2H₂O

反应物H2和O2经电化学反应后,产生电流；应产物为水及少量热。

2.2 PEMFC的组成

电催化剂、质子交换膜、电极、双极板是PEMFC的重要组成部分，对PEMFC 性能和运行稳定性有着重要的影响。

2.2.1质子交换膜

质子交换膜(Proton Exchange Membrane Fuel，PEM)是PEMFC的核心部件，PEM与一般化学电源中使用的隔膜有区别。它不只是一种隔膜材料，也是电解质和电极活性物质(电催化剂)的基底，另外，质子交换膜还是一种选择透过性膜，主要起传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用。用作PEM的材料应该满足以下条件：

（1）良好的质子电导率；

（2）水分子在膜中的电渗透作用小；

（3）气体在膜中的渗透性尽可能小；

（4）电化学稳定性好；

（5）干湿转换性能好；

（6）具有一定的机械强度；

（7）可加工性好、价格适当。

2.2.2双极板

双极板又称流场板，其主要功能是使一个电池阴极的表面同下一个阳极串联起来，同时还向阴极供氧和向阴极提供燃气。除此之外，它还必须置有冷却流体通过电堆的通道并保证冷流体和反应气体分离，具有良好的气密性。

质子交换膜燃料电池的双极板具有以下功能和特点：

（1）分隔氧化剂（如空气）和还原剂（如氢气、重整气），具有阻气功能，因而不能采用多孔材料；

（2）收集电流，是电的良导体；

（3）抗腐蚀；

（4）双极板两侧应有使气体均匀分布的通道即流场，以确保气体在电极各处均匀分布；

（5）极板应是热的良导体，以保证温度均匀和排热方案的实施。

根据以上特点制作双极板的材料必须具备如下条件：

（1）电导率必须大于10S/cm；

（2）对于内置冷却的流体通道的双极板，导热率必须超过20w/（m/k）；对于只通过板边缘散热的电堆，极板的导热率必须超过100 w/（m/k）；

（3）气体渗透率必须低于10-7mbar#215;L/(s#215;cm2)；

（4）必须在接触酸性电解质、氧气、氢气、热和湿润的条件下都具有抗腐蚀的能力；

（5）必须具有一定的硬度，弯曲度大于25MPa；

（6）价格尽可能低。

2.3 质子交换膜燃料电池的优点

（1）源广，既可使用纯氢，又可使用转化燃料。原料来源广泛，通过对石油、天燃气、煤炭还有沼气、甲醇、水植物等加工取得，来之不尽、取之不竭。

（2）无污染，环境友好，因没有燃烧过程，不排放有害气体，它的排出物是氢氧结合的纯水，实现零排放( 无SO₂、NO₂，产物为H₂O)。

（3）无燥音。其发电过程是电化学反应过程，没有机械运动，所以没有噪音。

（4）能源转换效率高。因其工作温度低，能耗少，能源转换效率理论上可高达80 % ，现在各国研制水平已达到50 %一60 % 。

（5）可持续供电。质子交换膜燃料电池不是蓄能蓄电装置，而是一种发电装置，只要不断供给原料就可连续发电，而且电性能稳定。

（6）工作电流大(1～A/cm2，0.6V)，比功率高(0.1～0.2 kw/kg)，比能量大。

（7）使用固体电解质膜，可以避免电解质腐蚀。

（8）工作稳定可靠。常温下有80%的额定功率，在低温(lt;100℃)下运行。

（9）冷启动时间短，可在数秒内实现冷起动。

（10）设计简单、制造方便，体积、重量小，便于携带。

3. 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。

3.1 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。

3.2 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。

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