质子交换膜燃料电池金属双极板表面制备纳米晶Zr基涂层

发布时间：2017-11-15 01:06

  本文关键词：质子交换膜燃料电池金属双极板表面制备纳米晶Zr基涂层

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【摘要】：燃料电池(Fuel Cells)作为一种高效和洁净的发电技术,它可以将活性物质的化学能通过电化学反应直接转化为电能,具有能量转化率高(40%~60%)、环境友好、工作噪音低、几乎不排放氮和硫的氧化物,较低的二氧化碳排放量等优点,被誉为是继水力、火力和核能之后的第四代发电装置。作为第五代燃料电池的质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFC)是以固态的高分子聚合物作为电解质,具有能量转化效率高、无噪声、零污染、无腐蚀、工作温度低、冷启动快、寿命长和比功率高等优点,具有极其广阔的应用前景,尤其适合做电动车、潜艇和各种可移动电源,己成为世界各国的研究热点之一。双极板是质子交换膜燃料电池的关键组件之一。通常双极板可分为石墨板和金属板两种类型。金属材料比石墨材料具有更好的导热、导电性以及良好的机械强度与机加工性能等优点,被认为是质子交换膜燃料电池双极板的必然选择。但金属双极板在质子交换膜燃料电池氢电极侧的高温及酸性环境下易发生腐蚀溶解,致使电极电催化剂活性降低以及污染质子交换膜,导致膜电阻增加;而在氧电极侧,表层钝化膜会导致与气体扩散层之间的界面接触电阻增大,增强了欧姆极化作用,降低燃料电池输出功率。本文采用双阴极等离子溅射沉积技术分别在Ti-6A1-4V合金和316不锈钢双极板表面制备了纳米晶Zr和Zr C涂层。所制备涂层由外层沉积层和成分呈梯度分布的内层扩散层构成,其微观组织连续、致密,且与基体结合良好。通过动电位极化、恒电位极化、开路电位(OCP)和电化学阻抗谱(EIS)等电化学测试技术分别评估了纳米晶Zr基涂层、Ti-6A1-4V合金和316不锈钢在模拟PEMFC环境中的耐腐蚀性能以及温度的变化(25℃、40℃、55℃、70℃)对模拟PEMFC环境下纳米晶Zr基涂层、Ti-6A1-4V合金和316不锈钢耐腐蚀性能的影响。电化学测试结果表明:在模拟PEMFC环境中,纳米晶Zr基涂层的腐蚀电位、容抗弧半径、相位角最大值及其频率宽度均明显大于Ti-6A1-4V合金和316不锈钢。在+0.6 V的阴极工作电极电位下,纳米晶Zr基涂层均处于钝化区内,316不锈钢位于过钝化区,且纳米晶Zr基涂层的钝化电流密度较Ti-6A1-4V合金降低约4个数量级;而在-0.1 V的阳极工作电极电位下,纳米晶Zr基涂层均呈现出阴极保护特性。温度越高,双极板材料的耐腐蚀性能越差,且纳米晶Zr C涂层的温度腐蚀敏感性纳米晶Zr涂层Ti-6A1-4V合金和316不锈钢。此外,纳米晶Zr基涂层还同时改善了Ti-6A1-4V合金和316不锈钢的导电性以及憎水性能。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4

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