基于滲擴改性不銹鋼的船用燃料電池雙極板特性研究.pdf

1、減少船舶尾氣排放是《MARPOL公約》附則Ⅵ中改善海洋大氣環(huán)境和港口環(huán)境的重點。聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池具有效率高、運行溫度低、室溫快速啟動和環(huán)境友好等特點。大功率PEM燃料電池可作為商業(yè)船舶、港口船舶和內(nèi)河船舶等的動力和船舶電網(wǎng)發(fā)電站，是減少船舶尾氣排放的重要技術途徑之一。雙極板是連接單電池構(gòu)成大功率燃料電池電堆的重要的多功能組件，直接決定著燃料電池的能量密度、體積密度和成本。本文針對不銹鋼雙極板表面同時存在耐蝕性和導電性不足

2、的問題，提出采用等離子表面合金化方法制備新型改性層，并研究其腐蝕行為和表面導電性等性能，探索改性層與耐蝕性、導電性的關系，以及表面耐腐蝕和表面導電機制。主要工作與結(jié)果如下:
　　采用等離子表面合金化方法在商用304不銹鋼(SS)表面分別制備出了鎢、鉬和鈮的合金化滲擴改性層。改性層均勻致密且無微孔和微裂紋等缺陷，與基體的結(jié)合為良好的冶金結(jié)合。在模擬PEMFC環(huán)境中(70℃，0.05MH2SO4+2ppmHF溶液，通氫氣模擬陽極環(huán)境，

3、通空氣模擬陰極環(huán)境)，上述改性層均發(fā)生鈍化現(xiàn)象，在燃料電池工作電位區(qū)處于鈍化狀態(tài);合金化滲擴改性層的成分直接影響雙極板的耐腐蝕性，由于鈮在酸性環(huán)境中的優(yōu)異耐蝕性，其合金化滲擴改性層表現(xiàn)出較好的耐蝕性和穩(wěn)定性。
　　在過渡金屬合金化滲擴改性層的基礎上，引入含氮或碳的反應氣體，分別制備出鈮氮化物和鈮碳化物的化合物滲擴改性層。鈮氮化物滲擴改性層是由多相β-Nb2N、δ(')-NbN和δ-NbN鈮氮化物表層和鈮、氮擴散次表層所組成;鈮碳化

4、物滲擴改性層則由單相NbC表層和擴散次表層組成。在模擬PEMFC環(huán)境中化合物改性層均提高不銹鋼的耐腐蝕性、降低鈍化電流密度、降低表面接觸電阻、提高表面疏水性。鈮氮化物和碳化物合金化滲擴改性層使304SS雙極板在PEMFC條件下的腐蝕電流密度分別降到了0.127μAcm-2和0.058μAcm-2均低于1μAcm-2;恒電位極化后，鈮碳化物合金化滲擴改性304SS的接觸電阻達到9.04mΩcm2，小于10mΩcm2，滿足美國能源部(DOE

5、)2015年的雙極板目標性能要求。
　　利用ICP-AES技術對腐蝕溶液中溶解的金屬離子進行分析，并結(jié)合XPS的分析結(jié)果探討了不同的腐蝕環(huán)境對表面改性前后304SS鈍化膜的成分、結(jié)構(gòu)和厚度影響。結(jié)果表明，鈍化膜結(jié)構(gòu)和成分受腐蝕條件的控制，也直接決定改性層的耐腐蝕性和表面導電性。認為鈮碳化物滲擴改性層鈍化膜較薄，其中除了含有Nb氧化物外還有一定量的NbC，有利于表面導電性的提高。
　　此外，本文還研究了含有不同甲醇濃度的酸性溶