西安交大王学亮副教授团队：CVD碳涂层策略实现多孔流场材料三重本征性能与电池性能协同提升

研究背景

质子交换膜燃料电池（PEMFC）因高能量转换效率、零排放等优势，在新能源汽车、分布式电站及航空航天领域应用广泛。实现高功率密度是其当前主流发展趋势——目前电堆功率密度已达5.4 kW/L，但距离DOE设定的9.3 kW/L终极目标仍有显著差距。高功率密度要求电池在大电流密度（2–5 A/cm²）下运行，此时浓差极化是电压衰减的主导因素，流场结构的传质能力直接决定了电池功率密度的理论上限。

三维多孔流场（如金属泡沫、金属毡）凭借高孔隙率（>90%）和高比表面积，可大幅扩展传质路径，已在丰田Mirai等商业化车型中得到应用。然而，金属多孔材料在实际运行中面临三个相互耦合的本征性能瓶颈：（1）酸性电化学环境导致严重腐蚀，腐蚀产物加剧欧姆阻抗并毒化催化层；（2）多孔介质内部纤维/骨架间为物理点接触，面间接触电阻远高于体相电阻；（3）金属表面的本征亲水性使液态水倾向于在孔隙内滞留，大电流密度下易引发"水淹"及后续缺气等传质损失。如何在保持高孔隙率优势的同时同步提升导电性、耐腐蚀性和排水能力，是氢燃料电池金属多孔流场亟待突破的核心问题。

研究成果

针对上述挑战，西安交通大学王学亮副教授、屈治国教授联合海鹰空天材料研究院金兆国教授和西安科技大学蔡辉博士等，提出了一种基于化学气相沉积（CVD）的碳涂层表面工程策略。选取泡沫镍（Ni foam，各向同性孔结构）和钛纤维毡（Ti felt，各向异性纤维结构）两种代表性多孔材料，通过精确控制CVD工艺参数，在Ni骨架和Ti纤维表面成功生长了连续碳涂层，获得C@Ni foam和C@Ti felt两种同轴"核-壳"复合多孔材料，系统评估了碳涂层对多孔流场的微观结构、本征性能及单电池电化学性能的影响规律。

图1  Ni foam与Ti felt多孔结构示意图

CVD过程在Ni骨架和Ti纤维表面均匀沉积了厚度约2–2.5 μm的连续碳涂层，形成连续且致密的"核-壳"结构，涂层表面生长有大量球形碳颗粒，显著增大了表面粗糙度。微观结构表征方面XRD和Raman结果证实碳涂层具有石墨化特征，为提升导电性和耐腐蚀性提供了基础。

图2  多孔流场材料SEM形貌与EDS元素分布

接触电阻测试结果表明，碳涂层有效降低了两种材料的面间接触电阻。对Ti felt尤为显著——碳涂层在纤维交叉节点处形成连续导电"桥接"，面间电阻降幅达50%以上。动电位极化测试在模拟PEMFC阴极环境（0.5 M H₂SO₄, 80 °C）中进行，C@Ni foam和C@Ti felt的腐蚀电流密度降低1–2个数量级。

图3  多孔流场材料的固有特性

接触角测试表明，碳涂层将Ni foam和Ti felt的表面由亲水状态（接触角60°–75°）转变为疏水状态（接触角128°–135°）。这一转变源于碳涂层的低表面能与球形碳颗粒构成的微纳复合粗糙结构（Cassie-Baxter态），液态水在疏水孔隙中以离散液滴而非连续水膜形式存在，在气流剪切力下可被迅速吹扫排出，有效缓解了高电流密度下的孔隙水堵塞和"水淹"问题，维持了氧气的畅通传输路径。

将四种多孔流场装配至PEMFC阴极侧进行极化曲线和EIS测试。C@Ni foam和C@Ti felt均实现了PPD与LCD的双重提升：C@Ni foam的PPD提升约18%、LCD提升约25%；C@Ti felt的PPD提升约22%、LCD提升约15%。EIS分析揭示了两种材料差异化的增强主导路径：C@Ti felt以欧姆阻抗降低（R_ohm降幅约45%）和腐蚀抑制为导电性能增强主导，更适于追求高功率密度的车载工况；C@Ni foam以排水增强→传质阻力降低（R_mt降幅约35%）为传质增强主导，更适于对传质效率要求更高的固定电站场景。

图5  不同流场极化曲线对比

图6  不同流场EIS对比

本研究通过CVD碳涂层表面工程对多孔流场材料的"导电-防腐-排水"三重性能提升并非三个孤立效应的简单叠加，而是通过CVD过程构建的"核-壳"石墨化碳层这一统一的微观结构平台协同实现的。从物理本质上分析，这三项性能增益共享同一个结构源头——连续致密的石墨化碳涂层：（1）石墨化碳的高本征电导率为电子传输提供了快速通道，在Ti毡纤维节点处的连续碳桥更是将原本离散的点接触重构为贯穿的导电网络，直接降低了FC运行中的欧姆极化损耗；（2）碳的化学惰性和致密涂层对酸性电解液的物理阻隔效应，从热力学（降低表面腐蚀倾向）和动力学（阻断离子传输路径）两个层面协同抑制了金属基底的腐蚀反应；（3）石墨化碳的低表面自由能特性与CVD生长过程中自发形成的微纳复合粗糙结构共同构建了Cassie-Baxter疏水态，使液态水在孔隙中以高接触角的离散液滴形态存在，在气流剪切力驱动下快速排出，维持了多孔介质内部畅通的气相传输通道。更为关键的是，这三项性能之间存在正向协同耦合：优异的耐腐蚀性保证了碳涂层导电网络在长期运行中的稳定性；良好的排水能力减少了液态水在孔隙中的滞留，降低了腐蚀性电解质溶液与碳/金属界面的接触概率，间接强化了防腐效果；低欧姆阻抗减少了焦耳热产生，有助于维持更均匀的电池温度场，进而改善水分布均匀性。本工作揭示的两种差异化增强主导路径——C@Ti felt以电学增强为主导（碳桥导电网络→R_ohm大幅降低）、C@Ni foam以传质增强为主导（疏水表面→R_mt大幅降低）——本质上源于两种基体材料孔结构各向异性程度的不同：Ti毡的面内-面间各向异性使得面间导电成为首要短板，碳涂层的桥接效应恰好精准弥补了这一缺陷；而Ni foam的各向同性开孔结构已具备较好的导电连通性，制约其性能的首要因素转为亲水表面导致的排水不足，碳涂层的疏水化恰好对症。

图7  钛纤维毡与镍泡沫强化机理示意图

结论与展望

本研究通过CVD碳涂层表面工程策略，在保持多孔流场高孔隙率的前提下，同步实现了Ni foam和Ti felt在面间导电性、耐腐蚀性和疏水排水能力三个关键维度上的协同提升：（1）碳涂层降低了面间接触电阻，对Ti felt尤以纤维节点处的导电桥接效应最为显著；（2）碳涂层的化学惰性屏障使腐蚀电流密度降低1–2个数量级，耐腐蚀性显著提升；（3）碳涂层将表面由亲水转为疏水，促进液态水快速排出；（4）C@Ti felt和C@Ni foam分别遵循"电学增强"和"传质增强"两种差异化主导路径实现性能提升。该"导电-防腐-排水"三重协同改性策略可推广至电解水、液流电池等其他电化学能源器件的多孔电极设计，为高性能多孔传输层/流场一体化开发提供了新的表面工程范式。

论文信息

Xueliang Wang, Yuhao Wu, Hui Cai, Zhaoguo Jin, Zhiguo Qu*, Wenquan Tao. Achieving triple improvements in intrinsic properties for porous flow field materials and the proton exchange membrane fuel cell electrochemical performance. Journal of Power Sources, 2024, 604: 234508.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234508

作者介绍

王学亮，西安交通大学能源与动力工程学院副教授、博士生导师，热流科学与工程教育部重点实验室。主要研究方向为氢燃料电池传质强化结构调控研究、先进电子封装散热金属基复合材料设计与制备技术。

屈治国（通讯作者），西安交通大学能源与动力工程学院教授、博士生导师，热流科学与工程教育部重点实验室。国家杰出青年科学基金获得者。主要研究方向为燃料电池水热管理、多孔介质多尺度传热传质、强化传热理论与技术。

联系方式：zgqu@xjtu.edu.cn