钽及钽碳化物改性的燃料电池不锈钢双极板研究
发布时间：2022-10-21 20:04
燃料电池中的质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有诸多优点,例如化学能转化成电能的效率高、在室温下的启动速度快、运行的噪音低、操作的环境温度低等,它在交通运输以及便携式电源领域有着非常广阔的前景。燃料电池的金属双极板由于易加工、高机械强度、低的生产成本以及优良的导电性而优于石墨板。然而不锈钢金属双极板在PEMFC的工作环境中会形成降低其导电性的氧化层,从而使燃料电池的整体工作效率降低,因此金属双极板的界面接触电阻和其耐腐蚀性是需要解决的主要问题。针对上述问题,本文采用双辉光等离子渗金属技术,选用316 L不锈钢板（316LSS）,在其表面进行渗钽及渗钽碳化合物合金层。首先进行工艺探究,然后分析改性层的成分、组织以及其疏水性能,并重点分析了改性后的316 LSS的耐腐蚀性能及表面导电性。研究实验中工作温度、电压、气压及保温时间对改性层形成的影响,通过对比实验得到在316L SS上渗钽（Ta-316L SS）的最佳工艺参数为:源极电压-850～-900 V,阴极电压-550～600 V,温度1073K,气压40 Pa,时间2 h,极间距15 mm。钽改性层主要是由钽表层和扩散次表层组成的,其...
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
引言
1 绪论
1.1 燃料电池电池概述
1.1.1 燃料电池发展历程
1.1.2 燃料电池的分类
1.1.3 质子交换膜燃料电池工作原理及组件
1.2 质子交换膜燃料电池双极板
1.2.1 质子交换膜燃料电池双极板的运行环境
1.2.2 双极板材料的选择
1.2.3 不锈钢双极板的研究进展
1.3 表面改性技术概述
1.4 本文研究思路
2 实验部分
2.1 实验材料及设备
2.1.1 实验材料
2.1.2 实验设备
2.1.3 实验操作流程
2.2 材料表征
2.2.1 扫描电子显微镜(SEM)
2.2.2 能谱仪(EDS)
2.2.3 X射线衍射分析(XRD)
2.3 疏水性能检测
2.4 耐腐蚀性能测试
2.4.1 极化曲线测试
2.4.2 恒电位时间-电流密度曲线测试
2.4.3 交流阻抗谱测试
2.5 表面导电性能研究
2.6 技术路线图
3 316L不锈钢表面钽渗扩改性的最佳工艺参数研究
3.1 316L SS表面钽渗扩改性工艺方案
3.1.1 气压对钽改性层的影响
3.1.2 实验温度对钽改性层的影响
3.1.3 保温时间对钽改性层的影响
3.1.4 最佳工艺参数的确定
3.2 最佳工艺制备的钽改性层的物相及微观组织分析
3.2.1 Ta-316L SS的SEM表面形貌图和EDS能谱分析图
3.2.2 裸样与Ta-316L SS的XRD分析
3.3 本章小结
4 钽改性层性能研究
4.1 水接触角分析
4.2 Ta-316L SS在模拟PEMFC环境中的腐蚀性行为
4.2.1 极化曲线
4.2.2 恒电位时间-电流测试密度曲线
4.2.3 恒电位极化对Ta-316L SS的影响
4.2.4 电化学阻抗谱
4.3 恒电位极化对Ta-316L SS接触电阻的影响
4.3.1 恒电位极化前Ta-316L SS的接触电阻
4.3.2 恒电位极化后Ta-316L SS的接触电阻
4.4 本章小结
5 316L SS表面钽碳化物合金化渗扩改性层的制备与性能研究
5.1 钽碳化物合金化渗扩改性层的制备
5.2 钽碳化物合金化渗扩改性层的物相及微观组织分析
5.2.1 改性层的SEM形貌和EDS能谱分析
5.2.2 改性层的XRD分析
5.3 水接触角分析
5.4 TaC-316L SS在模拟PEMFC环境中的腐蚀性为
5.4.1 极化曲线
5.4.2 恒电位时间-电流测试密度曲线
5.4.3 恒电位极化对Ta-C 316L SS表面形貌的影响
5.4.4 电化学阻抗谱
5.5 恒电位极化对Ta-316L SS接触电阻的影响
5.5.1 恒电位极化前Ta-316L SS的接触电阻
5.5.2 恒电位极化后Ta-316L SS的接触电阻
5.6 本章小结
结论
参考文献
作者简历及攻读硕士学位期间的科研成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国省际差异化能源转型背景下的CO2排放预测[J]. 柴建,杜孟凡,周晓阳,梁婷. 系统工程理论与实践. 2019(08)
[2]氢燃料电池发展现状和趋势[J]. 陈曈,周宇昊,张海珍,刘丽丽,刘润宝. 节能. 2019(06)
[3]国内外氢燃料电池汽车发展状况与未来展望[J]. 储鑫,周劲松,刘东华,周康宁. 汽车实用技术. 2019(04)
[4]金属的电化学腐蚀与防护[J]. 陈巧玲,万和良,晏曦,喻建军,姚建民. 中国多媒体与网络教学学报(下旬刊). 2019(01)
[5]碳化钽耐超高温陶瓷的研究进展[J]. 陈红梅,蒋进明. 中国陶瓷. 2018(11)
[6]燃料电池的发展现状与未来方向研究[J]. 管庆朋. 河南科技. 2018(01)
[7]新型二维过渡金属碳化物研究进展[J]. 石宝宝,贾志军,王毅,齐涛. 化工新型材料. 2017(12)
[8]不锈钢双极板镀层性能研究[J]. 秦子威,宓保森,陈卓,汪宏斌. 上海金属. 2017(05)
[9]CrN和CrNiN涂层在模拟质子交换膜燃料电池环境中的电化学性能及疏水性能[J]. 金杰,韩岁伍,安腾,马君杰,张伟. 材料工程. 2016(10)
[10]纯电动汽车与氢燃料电池汽车发展现状及前景[J]. 孙田田,王林,郭巧巧,王鑫国. 科技视界. 2016(04)
博士论文
[1]基于渗扩改性不锈钢的船用燃料电池双极板特性研究[D]. 王利霞.大连海事大学 2014
[2]离子注入提高不锈钢耐腐蚀和表面导电性能的研究[D]. 冯凯.上海交通大学 2012
硕士论文
[1]高功率脉冲磁控溅射注入与沉积技术研究及CrN薄膜制备[D]. 王泽明.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3696292
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
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摘要
Abstract
引言
1 绪论
1.1 燃料电池电池概述
1.1.1 燃料电池发展历程
1.1.2 燃料电池的分类
1.1.3 质子交换膜燃料电池工作原理及组件
1.2 质子交换膜燃料电池双极板
1.2.1 质子交换膜燃料电池双极板的运行环境
1.2.2 双极板材料的选择
1.2.3 不锈钢双极板的研究进展
1.3 表面改性技术概述
1.4 本文研究思路
2 实验部分
2.1 实验材料及设备
2.1.1 实验材料
2.1.2 实验设备
2.1.3 实验操作流程
2.2 材料表征
2.2.1 扫描电子显微镜(SEM)
2.2.2 能谱仪(EDS)
2.2.3 X射线衍射分析(XRD)
2.3 疏水性能检测
2.4 耐腐蚀性能测试
2.4.1 极化曲线测试
2.4.2 恒电位时间-电流密度曲线测试
2.4.3 交流阻抗谱测试
2.5 表面导电性能研究
2.6 技术路线图
3 316L不锈钢表面钽渗扩改性的最佳工艺参数研究
3.1 316L SS表面钽渗扩改性工艺方案
3.1.1 气压对钽改性层的影响
3.1.2 实验温度对钽改性层的影响
3.1.3 保温时间对钽改性层的影响
3.1.4 最佳工艺参数的确定
3.2 最佳工艺制备的钽改性层的物相及微观组织分析
3.2.1 Ta-316L SS的SEM表面形貌图和EDS能谱分析图
3.2.2 裸样与Ta-316L SS的XRD分析
3.3 本章小结
4 钽改性层性能研究
4.1 水接触角分析
4.2 Ta-316L SS在模拟PEMFC环境中的腐蚀性行为
4.2.1 极化曲线
4.2.2 恒电位时间-电流测试密度曲线
4.2.3 恒电位极化对Ta-316L SS的影响
4.2.4 电化学阻抗谱
4.3 恒电位极化对Ta-316L SS接触电阻的影响
4.3.1 恒电位极化前Ta-316L SS的接触电阻
4.3.2 恒电位极化后Ta-316L SS的接触电阻
4.4 本章小结
5 316L SS表面钽碳化物合金化渗扩改性层的制备与性能研究
5.1 钽碳化物合金化渗扩改性层的制备
5.2 钽碳化物合金化渗扩改性层的物相及微观组织分析
5.2.1 改性层的SEM形貌和EDS能谱分析
5.2.2 改性层的XRD分析
5.3 水接触角分析
5.4 TaC-316L SS在模拟PEMFC环境中的腐蚀性为
5.4.1 极化曲线
5.4.2 恒电位时间-电流测试密度曲线
5.4.3 恒电位极化对Ta-C 316L SS表面形貌的影响
5.4.4 电化学阻抗谱
5.5 恒电位极化对Ta-316L SS接触电阻的影响
5.5.1 恒电位极化前Ta-316L SS的接触电阻
5.5.2 恒电位极化后Ta-316L SS的接触电阻
5.6 本章小结
结论
参考文献
作者简历及攻读硕士学位期间的科研成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国省际差异化能源转型背景下的CO2排放预测[J]. 柴建,杜孟凡,周晓阳,梁婷. 系统工程理论与实践. 2019(08)
[2]氢燃料电池发展现状和趋势[J]. 陈曈,周宇昊,张海珍,刘丽丽,刘润宝. 节能. 2019(06)
[3]国内外氢燃料电池汽车发展状况与未来展望[J]. 储鑫,周劲松,刘东华,周康宁. 汽车实用技术. 2019(04)
[4]金属的电化学腐蚀与防护[J]. 陈巧玲,万和良,晏曦,喻建军,姚建民. 中国多媒体与网络教学学报(下旬刊). 2019(01)
[5]碳化钽耐超高温陶瓷的研究进展[J]. 陈红梅,蒋进明. 中国陶瓷. 2018(11)
[6]燃料电池的发展现状与未来方向研究[J]. 管庆朋. 河南科技. 2018(01)
[7]新型二维过渡金属碳化物研究进展[J]. 石宝宝,贾志军,王毅,齐涛. 化工新型材料. 2017(12)
[8]不锈钢双极板镀层性能研究[J]. 秦子威,宓保森,陈卓,汪宏斌. 上海金属. 2017(05)
[9]CrN和CrNiN涂层在模拟质子交换膜燃料电池环境中的电化学性能及疏水性能[J]. 金杰,韩岁伍,安腾,马君杰,张伟. 材料工程. 2016(10)
[10]纯电动汽车与氢燃料电池汽车发展现状及前景[J]. 孙田田,王林,郭巧巧,王鑫国. 科技视界. 2016(04)
博士论文
[1]基于渗扩改性不锈钢的船用燃料电池双极板特性研究[D]. 王利霞.大连海事大学 2014
[2]离子注入提高不锈钢耐腐蚀和表面导电性能的研究[D]. 冯凯.上海交通大学 2012
硕士论文
[1]高功率脉冲磁控溅射注入与沉积技术研究及CrN薄膜制备[D]. 王泽明.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3696292
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