质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为一种清洁高效的能源装置,能够将氢能直接转化成电能,具有启动快、转化效率高、功率密度大、以及低温运行等优点,可望在交通运输、便携装置、备用电源、空间设备等诸多领域得到广泛应用。双极板是PEMFCs的核心部件,在电堆中起到支撑膜电极、分配反应气体、收集电流、排出生成水等作用。金属双极板具有材料超薄、机械强度高、适于批量成形等特点,有望取代传统的石墨双极板。然而金属双极板表面钝化膜导致接触电阻增大,同时在PEMFCs酸性环境中易于发生腐蚀现象,金属离子流失造成质子交换膜传导率下降、污染催化剂,继而降低PEMFCs输出性能。在金属极板表面制备一层黄金涂层,可有效解决金属极板的导电性能和抗腐蚀性能,但黄金涂层昂贵的成本制约着金属双极板的商业化应用。近年来,导电性能好、抗腐蚀性能强的非晶碳涂层受到学术界和工业界的关注。然而非晶碳涂层在实际电堆运行中仍然存在着涂层腐蚀脱落、导电性能下降等问题。本文以金属极板表面非晶碳涂层为研究对象,开展其抗腐蚀机理及磁控溅射工艺研究。首先,研究非晶碳涂层失效模式与失效机理,建立车用工况下PEMFCs金属极板表面涂层的等效评价方法;研究磁控溅射工艺参数对非晶碳涂层微观结构影响规律,调控非晶碳涂层导电性能与抗腐蚀性能;基于E-pH理论和第一性原理计算方法,进行底层元素和外层掺杂改性,设计非晶碳复合涂层结构,解决高电位下腐蚀脱落和接触电阻增加;最后将非晶碳复合涂层应用在金属极板上进行离线评价和电堆耐久分析。本文主要研究内容集中在以下几个方面:1)金属极板非晶碳涂层失效模式与等效评价方法研究车用PEMFCs金属极板非晶碳涂层失效模式并提出等效评价方法。开展PEMFCs电堆1000 h寿命实验,分析非晶碳涂层形貌和微观组织结构变化规律,确定涂层腐蚀脱落和接触电阻增加两种失效模式。揭示出底层元素流失和表层碳涂层的氧元素吸附是碳涂层失效机理。通过分析车用PEMFCs运行工况和电堆内部环境,建立基于电位、温度、pH的电化学评价方法,并对非晶碳涂层进行等效评估,与实际电堆中失效形式进行对比,验证等效评价方法的有效性。2)基于非平衡磁控溅射的非晶碳涂层沉积工艺基于非平衡磁控溅射工艺方法开展非晶碳涂层高导电高耐蚀工艺研究。研究磁控溅射工艺中沉积气压、脉冲偏压对等离子体能量及密度的影响,继而对非晶碳涂层微观结构的影响规律。通过调节涂层致密度以及sp~2/sp~3杂化比例,获得高导电和高耐蚀的涂层工艺区间。最后在优选的沉积气压下,利用高低偏压协同作用,设计多层碳结构,进一步增强涂层导电性能和抗腐蚀性能。3)金属极板非晶碳涂层高结合与抗氧化改性基于电化学E-pH理论和第一性原理计算方法,解决非晶碳涂层高电位腐蚀脱落和接触电阻增加的问题。分析非晶碳涂层在高电位下腐蚀机理,选择电位稳定范围宽的材料体系进行底层元素改性,并研究非晶碳涂层在不同金属底层上杂化结构演化和宏观性能变化规律。在此基础上利用第一性原理计算方法设计氮元素掺杂的非晶碳涂层体系(a-C:N),研究碳氮原子间微观结合机理和碳原子杂化结构演化规律,利用非平衡磁控溅射方法制备氮掺杂的非晶碳复合涂层并进行电化学等效评价,提高金属极板在PEMFCs环境中抗氧化性。4)金属极板非晶碳复合涂层制备工艺与电堆评估综合低电阻、高耐蚀、高结合以及抗氧化改性工艺,在金属极板表面沉积非晶碳复合涂层并进行性能研究。考虑电堆内部金属极板与气体扩散层间接触特点,建立基于车用工况的模拟电堆评价方法,开展金属极板非晶碳复合涂层的电化学等效评估。在此基础上,采用自主设计的电堆组件,进行短堆装配,并完成PEMFCs电堆初始输出性能和车用工况耐久性预测。本文针对PEMFCs金属极板涂层导电与耐蚀关键问题,对车用环境下非晶碳涂层失效模式与等效评价方法、磁控溅射对非晶碳涂层导电耐蚀性能影响规律、高结合和抗氧化的非晶碳复合涂层改性工艺、以及金属极板非晶碳复合制备工艺与电堆性能评估进行了详细的研究。本文的结论和分析方法将为金属极板表面涂层工艺和PEMFCs寿命提升研究提供一定的指导意义。