研究人員成功制備并評估了一種Cu-14.5Ni-7.5Sn-0.3Mn-0.2Cr多組分合金，作為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）雙極板的候選材料。該合金憑借高電導(dǎo)率與疏水表面特性展現(xiàn)出應(yīng)用潛力，但實(shí)測腐蝕電流密度（55 μA/cm2）遠(yuǎn)超美國能源部（DOE）≤1 μA/cm2的標(biāo)準(zhǔn)，耐腐蝕性能成為其主要局限。雙極板負(fù)責(zé)電堆的電流收集與反應(yīng)氣體分布，占整體成本近40%和體積約50%，是氫能商業(yè)化降本增效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在60–80°C低溫運(yùn)行的PEMFC系統(tǒng)中，傳統(tǒng)石墨雙極板雖化學(xué)穩(wěn)定但脆性大且加工昂貴，難以滿足規(guī)?；枨?；不銹鋼等金屬材料強(qiáng)度更高，卻在pH值約2–3的酸性環(huán)境中易發(fā)生腐蝕，鈍化膜會(huì)推高接觸電阻，溶解離子亦可能污染膜電極。為兼顧高導(dǎo)電性與耐蝕性，銅基合金體系受到關(guān)注。銅的本征電導(dǎo)率極高，但需通過微合金化改善表面防護(hù)。近期研究表明，添加鎳、錫、鉻等元素可通過時(shí)效析出強(qiáng)化機(jī)制提升硬度與電化學(xué)穩(wěn)定性，而硅、鈦、鋁、錳等微量元素的協(xié)同作用有助于細(xì)化晶粒、抑制不連續(xù)析出并增強(qiáng)抗腐蝕能力。

基于上述基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)采用高純度銅、鎳、錫、錳、鉻元素粉末為原料，總初始投料量為240.52克。粉末裝入石英坩堝后，在燃煤爐中以1250–1300°C加熱，約20分鐘完全熔化。熔煉過程中加入錫以減少揮發(fā)損失，并添加少量銅磷脫氧劑以改善熔體質(zhì)量。熔融合金澆入預(yù)制型砂模具中凝固，獲得約231克鑄錠，理論密度為8.78 g/cm3。鑄態(tài)合金經(jīng)兩階段熱處理：先在750°C進(jìn)行固溶處理并空冷至室溫，隨后在450°C保溫一小時(shí)后水淬。樣品加工為10×10×6 mm3規(guī)格，研磨拋光至鏡面。

微觀結(jié)構(gòu)與性能測試顯示，該合金主要為富銅面心立方基體，平均晶粒尺寸約11.28 nm，平均晶格參數(shù)約3.549 ?。場發(fā)射掃描電鏡結(jié)合能譜分析確認(rèn)了五種組成元素的存在與分布，局部區(qū)域觀察到鎳和錫的分布差異，表明存在成分偏析。維氏顯微硬度測試（200 g載荷）平均值為102.3 HV。采用四探針法測得的室溫平均電導(dǎo)率為1.44×10? S/m。盡管受合金化引起的晶格畸變影響，該數(shù)值低于純銅（約5.8×10? S/m），但仍高出DOE對PEMFC雙極板材料要求的100 S/cm約144倍。

電化學(xué)腐蝕測試在模擬PEMFC電解液（含0.5 M和2 ppm，氮?dú)獗Ｗo(hù)）中進(jìn)行。動(dòng)電位極化測得腐蝕電位約+0.141 V，腐蝕電流密度為55 μA/cm2，計(jì)算腐蝕速率約0.65 mm/年。該腐蝕電流密度遠(yuǎn)高于DOE設(shè)定的目標(biāo)，表明材料在測試條件下存在明顯降解。電化學(xué)阻抗譜顯示中等界面電荷轉(zhuǎn)移電阻（16.27 Ω·cm2）和膜電阻（19.91 Ω·cm2），證實(shí)僅具備中等界面耐蝕性而非完全保護(hù)。腐蝕后分析顯示表面出現(xiàn)局部溶解、點(diǎn)蝕特征及粗糙化，近表面區(qū)域銅優(yōu)先溶解，同時(shí)檢測到含氧腐蝕產(chǎn)物。水滴角測量值約107°，表明表面呈疏水性，有利于PEMFC運(yùn)行時(shí)的排水。初步估算原材料成本約為每公斤1558.51盧比，主要由銅和鎳貢獻(xiàn)。

綜合DOE標(biāo)準(zhǔn)評估，該多組分合金憑借高電導(dǎo)率和疏水表面特性，具備作為PEMFC雙極板候選材料的潛力。但其耐腐蝕性能仍是主要局限，實(shí)測腐蝕電流密度顯著高于嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。未來研究可聚焦于優(yōu)化鉻、鈦、鈮的微合金化添加量，在不顯著影響電導(dǎo)率和表面潤濕性的前提下提升耐蝕性。此外，探索沉積TiN、CrN和非晶碳等薄導(dǎo)電涂層，有望在抑制選擇性銅溶解的同時(shí)保持電導(dǎo)率。后續(xù)需開展長期電化學(xué)暴露及單電池測試以驗(yàn)證實(shí)際雙極板性能，并結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)、多物理場建模及機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)一步優(yōu)化合金成分與燃料電池工況。

資料來源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-17。本文為資料編譯。