1)制造设备成本占金属双极板成本的大部分，大批量生产能大幅降低金属双极板成本。

2)研究者采用靶材马赛克法进行涂层沉积，克服了制造成本高、PVD交付周期长的技术障碍。

3)有掺杂剂的Ti合金涂层可以在其表层形成有掺杂的TiOx膜，这样可以有效降低金属板涂层和不锈钢基底之间的接触电阻，同时提升金属板涂层的耐腐蚀性。

低制造成本的V.D.1新型结构金属双极板涂层工艺解析

Conghua “CH” Wang

TreadStone Technologies, Inc.

201 Washington Road Princeton, NJ 08543

Phone: (202) 287-1657

Email: Bahman.Habibzadeh@ee.doe.gov

高工产研氢电研究所(GGII)编译

注：文章来自DOE 网站

总体目标

l开发掺杂氧化钛(TiOx)涂层的物理气相沉积(PVD)工艺。

l表征涂覆掺杂TiOx涂层的金属板，包括掺杂TiOx表层的化学组成和厚度，质子交换膜(PEM)燃料电池中涂层的电接触电阻和耐腐蚀性；

l评估低成本不锈钢和预处理后冲压的涂层工艺；

l分析该技术的制造成本。

2017财年的目标

技术壁垒

该项目解决了燃料电池技术办公室多年研究，开发和示范计划的燃料电池部分的以下技术障碍。

(A)耐久性(提高燃料电池运行过程中双极板的耐久性)

(B)成本(降低双极板生产成本)

(C)性能(改善双极板的性能)

技术指标

该项目的技术目标是进一步开发用于PEM燃料电池的掺杂TiOx涂层的制造工艺，以满足以下目标：

l具有气体扩散层的低电接触电阻(<5 mΩ•cm2)

l高耐腐蚀性：<1 mA / cm2

l低成本：到2020年成本为3$/kW

l能够进行卷对卷涂布和预处理后冲压

2017财年的成果

l完成了制造成本分析，表明与其他竞争技术相比，所提出的技术成本最低。

l设计溅射靶材；

l确定TiOx涂层微观表征方法；

l开发了最小化涂层表面成分偏析的工艺。

简介

交通运输的燃料电池系统和电堆的组件在降低燃料电池系统成本和改善性能中起重要作用。金属双极板是燃料电池电堆中的重要组成部分。例如，汽车工业已经证实，金属双极板对于确保在严寒天气(-40℃)快速启动燃料电池车辆至关重要。金属板成本是燃料电池电堆成本的重要组成部分。图1是最近(2015年12月)我们团队的合作伙伴Strategic Analysis, Inc.分析的PEM电堆成本组成。它显示双极板占整个电堆成本的14-27％(2015年技术，1000-50万堆/年)。因此，板材成本的一点点降低都将对整个电堆成本产生重大影响。

图 2 TreadStone在SS箔上涂覆掺杂TiOx涂层的示意图

结果

我们团队的合作伙伴Strategic Analysis,Inc.进行耐腐蚀涂层制造成本分析时使用了上述技术。该分析基于377个双极板组成的电堆，极板功率密度为1095mW/cm2。 使用预处理涂覆工艺将涂层涂覆在冲压和焊接的板上。图3是不同产量下的涂层成本。它表明涂层主要成本是PVD设备成本。生产成本与产量有关。在50万套系统/年的产能下，涂层成本为0.14美元/板。总涂层成本为0.85美元/kW，可满足DOE的要求。

图 3 双极板在不同产量下的涂层制造成本

在之前的小企业创新研究项目中，发现表层存在钛合金涂层成分偏析。掺杂剂元素Nb或Ta与合金涂层的表层分离，这产生纯钛表层。纯钛表面层只能形成导电性不如掺杂的氧化钛那样的氧化钛表层。在该项目中，我们调整了溅射沉积工艺的处理条件，以降低掺杂元素的动能，从而最小化掺杂元素渗透到涂层表面的量。图4显示了沉积的Ti-2Ta合金涂层的X射线光电子能谱核心能级光谱。发现表面层含有0.5at％的Ta。尽管该浓度仍低于目标，但它显示了使用沉积能量控制来控制掺杂剂元素偏析，以在涂层表面上获得掺杂氧化钛的可行性。

制造工艺开发中所提项目所面临的挑战是制造成本高且PVD靶生产周期长。该项目的时间和预算有限，因此优化工艺和涂层成分具有挑战性。在这个项目中，我们开发了一种新方法来克服成本和交付时间的挑战。我们将使用靶材马赛克法进行沉积。沉积靶由放置在钛托盘中的靶材条制成。涂料组合物由每种元素的宽度比(结合溅射速率)确定。例如，可以在钛托盘中用Nb和Ti条获得Ti-Nb涂层，并且可以使用Nb和Ti条的宽度来调节涂层中Nb和Ti的比率。我们已经确定了一家PVD涂层公司作为合作伙伴，其PVD系统可以满足该工艺要求。我们正在开发掺杂氧化钛涂层的制造技术。

图 4 沉积Ti-Ta涂层的X射线光电子能谱核心能级光谱，表明涂层表层存在Ta

结论和下一步行动

该项目专注于PEM燃料电池的新型贵金属自由涂层技术的生产技术开发。制造成本分析表明，与其他竞争技术相比，该技术的生产成本最低。该项目开发了技术解决方案，以克服关键的技术障碍。

该项目将继续开发基于PVD技术的制造工艺。将开发涂层的表征工艺将用于制造过程质量控制方法的开发。涂覆的SS板将在非原位腐蚀试验和预处理冲压试验中进行评估。基板材料包括316L SS和较低成本的304 SS。我们将会比较两种基材上涂层的性能。