燃料电池用铝基双极板表面改性研究

论文摘要

双极板是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的重要组件之一，它占电池组总重量的80％和成本的45％。减轻重量、大幅度降低成本是目前PEMFC实现产业化发展的有效途径。 做为一种传统的结构材料，铝比重小、价格低廉、易加工，但耐蚀性能较差，特别是在酸性介质中。因此，本文从材料表面改性入手，通过铝板表面镀铬、离子氮化等工艺手段，并结合相应的电化学性能测试，以研究、探索适用的表面处理技术，为铝或铝合金在PEMFC领域中的应用寻找可能的途径。 本文首先对镀铬、稀土添加镀铬，以及前期预处理工艺等进行了深入细致的研究。通过工艺参数的优化，最终在纯铝表面获得了结合良好、组织致密的镀铬层。在前述工作基础上，对镀铬层进行了离子氮化处理。经过反复试验，确定了合适的工艺参数，首次实现了铝基体上镀铬层的氮化处理，并对氮化层的结构和形貌进行了初步的分析。对获得的不同镀（渗）层进行了表面电阻和极化曲线等电化学测量，研究比较了不同工艺下镀（渗）层的接触电阻和耐蚀性能的变化。 通过上述试验工作，本文得出如下结论： 1．稀土添加可有效地降低镀铬层中微裂纹的宽度，使镀层组织更致密、晶粒更细小，改善镀层质量； 2．铝基体上的镀铬层可在520℃～560℃温度范围内形成氮化物，为CrN和Cr2N。氮化温度过高或氮化时间过长，将导致镀铬层开裂、甚至剥落，这与铝基体和镀层之间热膨胀系数相差较大有关； 3．经过氮化处理后的试样，接触电阻RC／SS低于未处理的镀铬试样。当压力为150 Ncm-2时，二者接触电阻均处于50 mΩcm2左右； 4．由于铝的热膨胀系数比铬的大，在经历了高温氮化后，试样表面原有的裂缝进一步扩大，在0.05 mol／L H2SO4+2 mg／L F溶液中，试样表面未形成稳定的钝化膜，耐蚀性能降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 燃料电池的背景
• 1.2 各种燃料电池的发展状况
• 1.2.1 碱性燃料电池
• 1.2.2 磷酸型燃料电池
• 1.2.3 熔融碳酸盐燃料电池
• 1.2.4 固体氧化物燃料电池
• 1.2.5 质子交换膜燃料电池
• 1.3 研究燃料电池的意义
• 1.4 燃料电池的优点
• 1.5 燃料电池的基本工作原理及结构
• 1.6 燃料电池的分类及各自特点
• 1.6.1 碱性燃料电池
• 1.6.2 磷酸型燃料电池
• 1.6.3 熔融碳酸盐燃料电池
• 1.6.4 固体氧化物燃料电池
• 1.6.5 质子交换膜燃料电池
• 1.7 双极板
• 1.7.1 双极板的结构
• 1.7.2 双极板的作用及性能要求
• 1.7.3 PEMFC常用双极板的种类及发展现状
• 1.8 课题的提出及本文的研究方案
• 第2章 实验设备及实验方法
• 2.1 试样的制备
• 2.2 电镀设备
• 2.3 渗氮设备
• 2.4 分析检测设备
• 2.4.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 2.4.2 镀层表面形貌分析（SEM）
• 2.4.3 接触电阻测试方法及设备
• 2.4.5 极化曲线测试方法及设备
• 第3章 纯铝表面镀铬工艺研究
• 3.1 样品准备及表面处理
• 3.1.1 样品准备
• 3.1.2 有机溶剂除油
• 3.1.3 碱液腐蚀
• 3.1.4 出光
• 3.1.5 冲洗
• 3.2 锌酸盐处理
• 3.3 化学镀镍
• 3.3.1 碱性化学镀镍-磷
• 3.3.2 酸性化学镀镍-磷
• 3.4 镀铬
• 3.4.1 镀铬的工艺特征
• 3.4.2 镀铬电解液的特性
• 3.4.3 各种因素的影响
• 3.4.4 基础电解液成分及工艺条件
• 3.4.5 添加稀土元素镀铬
• 3.5 镀层的形貌观察
• 3.6 镀铬后试样的组织结构、镀层厚度及结合力
• 3.6.1 基础镀液镀铬后试样的组织结构分析
• 3.6.2 镀层的层厚分析
• 3.6.3 镀层结合力的检验
• 3.6.4 本章小结
• 第4章 铝表面镀铬层离子渗氮工艺研究
• 4.1 离子渗氮工艺参数的选择
• 4.1.1 气体成分
• 4.1.2 渗氮温度
• 4.1.3 气体压力
• 4.1.4 渗氮时间
• 4.1.5 氮化层厚度
• 4.1.6 放电功率
• 4.2 渗氮的实验过程及方法
• 4.2.1 清洗试样
• 4.2.2 装炉
• 4.2.3 抽真空和加热
• 4.2.4 升温
• 4.2.5 保温
• 4.2.6 冷却
• 4.2.7 外观检查
• 4.3 氮化层的形貌分析
• 4.4 氮化层的组织结构分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 镀铬层和渗氮层的耐蚀性和表面导电性研究
• 5.1 接触电阻
• 5.2 试样在模拟 PEMFC环境中的极化曲线
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历