质子交换膜燃料电池不锈钢双极板表面改性研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）是一种能高效地将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。PEMFC以其能量密度高、环境友好及能量转化率高等优点,可望广泛应用于未来移动电源及固定电站等领域。PEMFC的关键部件之一是双极板。双极板质量的好坏将直接决定燃料电池堆输出功率的大小和使用寿命的长短,要求其不仅具有高的导电率、耐腐蚀性、低密度、高的机械强度和耐气体渗透性,而且必须具备材料成本低、易加工、良好的尺寸稳定性等特点,同时还应是热的良导体,以保证电池堆内部温度分布均匀和废热的顺利排出。不锈钢以其优良的机加工及气体不透过性特别适合作为双极板材料,但由于其耐腐蚀性较差,表面钝化膜的存在又增大接触电阻,使不锈钢不能直接应用,需要进行表面改性,以提高抗腐蚀性和减小接触电阻。本文针对316不锈钢薄板材料,采用制备化学转化膜后再进行化学导电钝化后处理的方法,以AgNO3与HNO3混合液为改性剂,在不锈钢表面化学镀银,在模拟PEMFC环境下,减小接触电阻的同时增强不锈钢耐腐蚀性。接触电阻测试显示,在压力达到150N·cm-2时,制备化学转化膜后的不锈钢与电极扩散层间接触电阻达到20mΩ·cm2左右,比处理前降低了10倍;而经过镀银后接触电阻虽然变化不大,但仍然有所下降,基本能达到16mΩ·cm2左右;超深度表面形态显微镜测试显示,处理后的不锈钢表面呈现均匀的灰色网格状膜层,表面蚀孔有被覆盖的迹象:EDS测试表明,不锈钢蚀孔内含有微量Ag元素;XRD测试显示处理后不锈钢导电性增强的原因是Fe0.64Ni0.36同一晶面指数下相对百分含量不同,以及不锈钢内部单质金属复合物的稳定存在;在模拟PEMFC环境下腐蚀溶液中,开路电位-时间曲线显示改性后的不锈钢开路电位有一定提高,显示了较高的电性能;动电位极化曲线也表明处理后的不锈钢自腐蚀电位明显提高,而腐蚀电流密度也较未处理的不锈钢降低了近两个数量级;恒电位氧化曲线测试看出镀银后的不锈钢腐蚀电流密度较未处理不锈钢也有大幅度降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 第一章 文献综述
• 1.1 PEMFC的介绍
• 1.1.1 PEMFC的关键组件
• 1.1.2 PEMFC工作原理
• 1.2 PEMFC双极板的功能和要求
• 1.3 双极板的分类
• 1.3.1 石墨材料
• 1.3.2 复合材料
• 1.3.3 金属材料
• 1.4 本课题研究的内容及意义
• 本章小结
• 第二章 导电防腐层的制备工艺研究
• 2.1 实验药品、仪器
• 2.2 实验步骤
• 2.2.1 不锈钢的预处理
• 2.2.2 化学转化膜的制备
• 2.2.3 化学法制备导电防腐层
• 2.3 性能测试与表征
• 2.3.1 接触电阻测量
• 2.3.2 表面形貌观察与表征
• 2.3.3 物理性能指标
• 2.3.4 电化学表征
• 本章小结
• 第三章 改性不锈钢双极板的接触电阻研究
• 3.1 化学转化膜对不锈钢接触电阻的影响
• 3.2 镀银对不锈钢接触电阻的影响
• 3.3 不同浓度镀银液对不锈钢接触电阻的影响
• 3.3.1 硝酸浓度不同
• 3.3.2 硝酸银浓度及处理时间的影响
• 3.4 温度的影响
• 本章小结
• 第四章 改性不锈钢双极板的表面形貌表征
• 4.1 超深度显微镜
• 4.2 改性不锈钢的EDS分析
• 4.3 改性不锈钢表面的XRD分析
• 4.4 物理性能指标
• 4.5 镀银成本核算
• 本章小结
• 第五章 改性不锈钢双极板的耐腐蚀性测试
• 5.1 金属腐蚀的概念
• 5.2 金属耐腐蚀性的测定
• 5.2.1 电化学极化基本方程式
• 5.2.2 腐蚀速度的评价
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢