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以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池由于其转换效率高、无污染、可室温快速启动等有点在固定式发电站、电动车、移动电源方面被广泛应用。但是其关键部件如双极板较高的成本限制了质子交换膜燃料电池的大规模应用。理想的双极板除了在导电性、耐蚀性和疏水性方面拥有优越性外,高的机械强度和阻气能力,以及低成本、易加工等特点也不可或缺。大量研究表明不锈钢双极板经表面镀膜（涂层）改性处理可满足双极板的表面综合性能要求。本课题组早期利用脉冲偏压电弧离子镀技术,在316L不锈钢双极板表面制备第一代改性涂层—Cr0.23 C0.77非晶纳米晶复合改性薄膜后其性能表现尤其突出,在0.5 M H2SO4+5 ppm F-模拟电池环境下的介质中其腐蚀电流密度低至0.091μA.cm-2;且导电性比电镀银还好,即在1.2MPa压力下接触电阻仅为达到2.8mΩ.cm2,低于电镀银的3.5 mΩ.cm2;此外水接触角高达105°,具有很强的疏水性。这些综合性能指标都远高于美国能源部关于双极板表面综合性能的标准指标要求。然而问题在于,应用该薄膜改性处理的不锈钢双极板在实际装堆运行测试约3000小时后,会发生严重的腐蚀现象而致使电堆过早失效。本文为改善质子交换膜燃料电池金属双极板的长期耐蚀性能,首先用加速腐蚀的方法通过腐蚀形貌观察来分析第一代C-Cr涂层的失效机理,发现由针孔或者涂层大颗粒缺陷造成的点蚀是引起双极板腐蚀失效的主要原因;然后针对该失效机理进行第二代涂层的设计,即为了提高涂层耐点蚀能力,在基体与第一代C-Cr涂层之间再增加一层耐蚀钛合金过渡层,并对几种工业应用的钛合金包括TA1、TA9、TA10和Ti35等进行作为过渡层的优化筛选,最终显示Ti35性能最佳并确定为中间过渡层材料;最后使用自主研发的增强磁过滤脉冲偏压电弧离子镀量产设备,在316L双极板基体上沉积带有中间过渡层的Ti35/C-Cr第二代复合涂层,并对该复合涂层进行成分、结构及综合性能的表征与评价。结果显示,与第一代涂层相比,第二代涂层在保持导电性能、疏水性的基础上,耐蚀性能有了较大幅度的提高,预期在装堆后的长期运行过程中将会大大提高电池电堆的运行寿命和稳定性。论文取得的主要研究结果如下:1.将镀有第一代成分为C0.76Cr0.24和C0.79Cr0.21 C-Cr的改性薄膜的不锈钢双极板试样在模拟电池环境（0.5mol/L硫酸+5ppm氢氟酸,温度为70℃）下进行电化学腐蚀试验。对1.6V、2.2V和4V三个电位下不同腐蚀时间的腐蚀形貌进行SEM观察。1.6V×12h、2.2V×5h和4V×5h条件下的腐蚀形貌观察结果表明:大颗粒的存在给化学腐蚀以及电化学腐蚀提供了必要的缺陷,但是不同尺寸大颗粒腐蚀机制不同。1050μm左右大颗粒,数量较少,应力腐蚀和腐蚀电偶同时作用,薄膜迅速崩裂。10μm以下大颗粒腐蚀一开始逐渐掉落,形成较浅的腐蚀坑,受电化学腐蚀作用腐蚀坑加深直到电解液接触到基体;然后应力腐蚀和电化学腐蚀共同作用,腐蚀裂纹扩展,然后薄膜崩裂。大颗粒提供了腐蚀源头,而应力使腐蚀作用迅速扩大。2.针对上述腐蚀机理,设计在基体与C-Cr涂层之间增加一层钛合金过渡层的第二代涂层以提高耐点蚀能力。根据金属的腐蚀与防护原理,选出工业纯钛TA1,传统耐蚀钛合金TA9（Ti-0.2Pd）、TA10（Ti-0.3Mo-0.8Ni）和新型耐蚀钛合金Ti35（Ti-6Ta）作为过渡层材料进行优化。对四种材料钝化前后的接触电阻变化进行比较,结果表明:TA1钝化前后接触电阻变化最大,钝化后导电性最差;Ti35钝化前后接触电阻变化最小,钝化后导电性最好,这是因为钝化后Ti由于Ta的固溶,能够形成导电氧化膜。在模拟电池环境下,测试四种过渡层材料的动电位极化曲线,结果表明:通空气条件下,Ti35耐蚀性最好,TA10次之;通氢气条件下,TA1表现最好,Ti35次之。综合考虑,Ti35耐蚀性表现最好。对四种过渡层腐蚀前后的表面形貌进行观察,结果表明:TA1腐蚀严重,TA9、TA10和Ti35没有特别明显的腐蚀现象,但是TA9和TA10表面大颗粒数量较多。总体来看,四种材料中,Ti35是最理想的过渡层。3.以Ti35作为过渡层C-Cr一代涂层作为最外层,制备316L/Ti35/C-Cr第二代复合涂层改性双极板并进行工艺参数的优化,结果表明:高偏压低占空比与低偏压高占空比相比具有更好的薄膜质量和耐蚀性;对薄膜质量影响最大的因素是弧流和沉积温度,在弧流60A和沉积温度为350℃时,获得表面质量最好的薄膜,但是40min的总沉积时间相对较长;提高弧流至80A,总沉积时间减少至20min,表面大颗粒数增加,但是200h恒电位极化曲线测试表明,薄膜腐蚀电流稳定,耐蚀性良好。4.对二代复合涂层双极板进行综合表征,20min沉积时间,薄膜总厚度为287.2nm,其中过镀层为沉积5min厚度157.8nm,C-Cr层沉积15min厚度为124.9nm。与一代涂层相比,加上耐蚀性能对比数据;由于过镀层表面形成导电氧化层,二代涂层导电性更好,接触电阻从3.76 mΩcm2降至2.77mΩcm2。疏水性测试结果表明,涂层较一代涂层疏水性变化不大,都为疏水涂层。