基于渗扩改性不锈钢的船用燃料电池双极板特性研究

发布时间：2017-09-10 21:12

  本文关键词：基于渗扩改性不锈钢的船用燃料电池双极板特性研究

  更多相关文章： PEM燃料电池 钝化膜 不锈钢双极板 等离子表面合金化 腐蚀 接触电阻

【摘要】：减少船舶尾气排放是《MARPOL公约》附则VI中改善海洋大气环境和港口环境的重点。聚合物电解质膜(PEM)燃料电池具有效率高、运行温度低、室温快速启动和环境友好等特点。大功率PEM燃料电池可作为商业船舶、港口船舶和内河船舶等的动力和船舶电网发电站,是减少船舶尾气排放的重要技术途径之(?)双极板是连接单电池构成大功率燃料电池电堆的重要的多功能组件,直接决定着燃料电池的能量密度、体积密度和成本。本文针对不锈钢双极板表面同时存在耐蚀性和导电性不足的问题,提出采用等离了表面合金化方法制备新型改性层,并研究其腐蚀行为和表面导电性等性能,探索改性层与耐蚀性、导电性的关系,以及表面耐腐蚀和表面导电机制。主要工作与结果如下： 采用等离子表面合金化方法在商用304不锈钢(SS)表面分别制备出了钨、钼和铌的合金化渗扩改性层。改性层均匀致密且无微孔和微裂纹等缺陷,与基体的结合为良好的冶金结合。在模拟PEMFC环境中(70℃,0.05M H2SO4+2ppm HF溶液,通氢气模拟阳极环境,通空气模拟阴极环境),上述改性层均发生钝化现象,在燃料电池工作电位区处于钝化状态；合金化渗扩改性层的成分直接影响双极板的耐腐蚀性,由于铌在酸性环境中的优异耐蚀性,其合金化渗扩改性层表现出较好的耐蚀性和稳定性。 在过渡金属合金化渗扩改性层的基础上,引入含氮或碳的反应气体,分别制备出铌氮化物和铌碳化物的化合物渗扩改性层。铌氮化物渗扩改性层是由多相β-Nb2N、δ'-NbN和δ-NbN铌氮化物表层和铌、氮扩散次表层所组成；铌碳化物渗扩改性层则由单相NbC表层和扩散次表层组成。在模拟PEMFC环境巾化合物改性层均提高不锈钢的耐腐蚀性、降低钝化电流密度、降低表面接触电阻、提高表面疏水性。铌氮化物和碳化物合金化渗扩改性层使304SS双极板在PEMFC条件下的腐蚀电流密度分别降到了0.127μA cm-2和0.058μA cm-2均低于1μAcm-2；恒电位极化后,铌碳化物合金化渗扩改性304SS的接触电阻达到9.04mΩ cm2,小于10mΩcm2,满足美国能源部(DOE)2015年的双极板目标性能要求 利用ICP-AES技术对腐蚀溶液中溶解的金属离子进行分析,并结合XPS的分析结果探讨了不同的腐蚀环境对表面改性前后304SS钝化膜的成分、结构和厚度影响。结果表明,钝化膜结构和成分受腐蚀条件的控制,也直接决定改性层的耐腐蚀性和表面导电性。认为铌碳化物渗扩改性层钝化膜较薄,其中除了含有Nb氧化物外还有一定量的NbC,有利于表面导电性的提高。 此外,本文还研究了含有不同甲醇浓度的酸性溶液的双极板性能,随着甲醇浓度的提高,铌碳化物合金化渗扩改性前后不锈钢的腐蚀速度均降低,铌碳化物渗扩改性304SS形成的钝化膜较薄,具有n型半导性质；而不锈钢形成的钝化膜较厚,具有双层结构一外层n-型半导体层和内层p-型半导体层。
【关键词】：PEM燃料电池 钝化膜 不锈钢双极板 等离子表面合金化 腐蚀 接触电阻
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U664.1
【目录】：

• 创新点摘要5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-37
• 1.1 引言13-14
• 1.2 燃料电池与船舶应用14-16
• 1.3 PEM燃料电池双极板的研究现状16-33
• 1.3.1 双极板材料的选择17-19
• 1.3.2 不锈钢的钝化19-25
• 1.3.3 不锈钢双极板的研究进展25-33
• 1.4 等离子表面合金化改性技术33-35
• 1.5 本文研究思路35-37
• 第二章 304不锈钢表面过渡金属合金化渗扩改性37-59
• 2.1 改性元素的选择37-39
• 2.2 实验部分39-45
• 2.2.1 基体材料39-40
• 2.2.2 改性层的制备40-41
• 2.2.3 改性层的表征41
• 2.2.4 腐蚀溶液和腐蚀环境的选择41-42
• 2.2.5 在模拟PEMFC环境中的电化学测试42-43
• 2.2.6 接触电阻测量43-45
• 2.3 过渡金属表面合金化渗扩改性层的分析45-47
• 2.3.1 截面厚度和形貌45-47
• 2.4 耐蚀性研究47-53
• 2.4.1 极化曲线47-51
• 2.4.2 恒电位极化51-53
• 2.5 表面导电性研究53-58
• 2.5.1 恒电位极化前的接触电阻54-56
• 2.5.2 恒电位极化对接触电阻的影响56-58
• 2.6 本章小结58-59
• 第三章 304不锈钢表面铌氮化物合金化渗扩改性59-70
• 3.1 实验方法59-61
• 3.1.1 铌氮化物合金化渗扩改性层的制备59-60
• 3.1.2 铌氮化物合金化渗扩改性层的表征60
• 3.1.3 电化学测试60
• 3.1.4 接触电阻的测量60-61
• 3.2 铌氮化物合金化渗扩改性层的分析61-64
• 3.2.1 组织结构分析61-62
• 3.2.2 表面侵润性分析62-64
• 3.3 Nb-N 304SS在模拟PEMFC环境中的腐蚀行为64-66
• 3.3.1 极化曲线64-65
• 3.3.2 Nb-N 304SS在PEMFC环境中的稳定性65-66
• 3.3.3 金属腐蚀产物分析66
• 3.4 恒电位极化对Nb-N 304SS接触电阻的影响66-68
• 3.4.1 恒电位极化前Nb-N 304SS的接触电阻66-67
• 3.4.2 恒电位极化后Nb-N 304SS的接触电阻67-68
• 3.5 本章小结68-70
• 第四章 304不锈钢表面铌碳化物合金化渗扩改性70-84
• 4.1 实验方法70-71
• 4.1.1 铌碳化物合金化渗扩改性层的制备70
• 4.1.2 铌碳化物合金化渗扩改性304SS的表征与检测70-71
• 4.2 铌碳化物合金化渗扩改性层的分析71-73
• 4.2.1 相分析71-72
• 4.2.2 表面形貌及改性层厚度72-73
• 4.3 Nb-C 304SS在模拟PEMFC环境中的腐蚀行为73-81
• 4.3.1 极化曲线74
• 4.3.2 恒电位时间-电流密度曲线74-76
• 4.3.3 金属腐蚀产物分析76
• 4.3.4 恒电位极化对Nb-C 304SS表而形貌的影响76-78
• 4.3.5 恒电位极化前后Nb-C 304SS的饨化膜成分分析78-81
• 4.4 恒电位极化对Nb-C 304SS接触电阻的影响81-82
• 4.5 本章小结82-84
• 第五章 表面合金化渗扩改性304不锈钢在DMFC中的应用84-108
• 5.1 引言84-85
• 5.2 试验方法85-86
• 5.2.1 电化学测试85-86
• 5.2.2 表面形貌和钝化膜86
• 5.3 甲醇浓度对304不锈钢在模拟DMFC环境中腐蚀行为的影响86-100
• 5.3.1 极化曲线86-88
• 5.3.2 恒电位时间-电流密度曲线88-91
• 5.3.3 恒电位极化后304不锈钢表面形貌分析91
• 5.3.4 金属腐蚀产物分析91-92
• 5.3.5 电化学阻抗谱92-96
• 5.3.6 钝化膜性质解析96-99
• 5.3.7 甲醇浓度对304不锈钢接触电阻的影响99-100
• 5.4 Nb-C 304SS在模拟DMFC环境巾的腐蚀行为100-107
• 5.4.1 Nb-C 304SS在模拟DMFC阴极环境中的耐蚀性100-102
• 5.4.2 甲醇浓度对Nb-C 304SS腐蚀行为的影响102-103
• 5.4.3 甲醇浓度对Nb-C 304SS表面钝化膜的影响103-106
• 5.4.4 甲醇浓度对Nb-C 304SS接触电阻的影响106-107
• 5.5 本章小结107-108
• 第六章 结论与展望108-111
• 6.1 结论108-109
• 6.2 展望109-111
• 参考文献111-125
• 攻读学位期间公开发表论文125-127
• 致谢127-128
• 作者简介128

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 李国华;潘朝光;许莉;王宇新;;柔性石墨板的氢气透过率研究[J];材料导报;2004年01期

2 周菊秋,黄列如,谭日善,张同桂,李光辉,曾芳屏;中国钽、铌碳化物的生产和应用[J];稀有金属材料与工程;1998年01期

3 李映辉,金雪芹,徐洪峰,侯向理,董建华;热处理不锈钢用作质子交换膜燃料电池双极板[J];电源技术;2005年09期

4 彭松,肖斌平,郝建奎,谢大_";NbN薄膜的制备与性能研究[J];光谱学与光谱分析;2005年04期

5 桂艳;高岩;;不锈钢表面钝化膜特性的研究进展[J];特殊钢;2011年03期

6 唐丽华;陈祝平;傅小明;;基于PEMFC的船舶新动力系统[J];造船技术;2008年04期

7 程学群;李晓刚;杜翠薇;马宏伟;;不锈钢和镍基合金在高温高压醋酸溶液中的腐蚀行为[J];中国腐蚀与防护学报;2006年02期

，

本文编号：826652