PEM燃料电池不锈钢双极板渗氮及Cr_xN_y涂层性能研究

发布时间：2020-05-21 23:41

【摘要】：质子交换膜燃料电池PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)因功率密度高、工作温度低、效率高和零污染等优点而应用广泛。不锈钢作为PEM型燃料电池双极板在强度、成本、可加工性等方面有着无可比拟的优势,但在PEM型燃料电池工作环境中易腐蚀。为推动不锈钢双极板的商业化进程,必须对其进行表面改性。本文采用等离子体增强平衡磁控溅射技术对316L不锈钢进行表面改性,即在316L表面制备渗氮层、Cr/CrN_x涂层以及Cr/Cr_2N涂层,研究了磁控溅射沉积工艺参数对涂层显微形貌、相结构、接触电阻及耐蚀性的影响。研究结果表明:基体偏压对316L奥氏体不锈钢表面等离子体氮化层性能研究表明:渗氮层表面具有尖锐的晶界,出现大面积“滑移台阶”,衍射峰出现宽化、不对称、高指数的衍射峰减小、衍射峰向小角度偏移现象,晶界并未发现氮化物析出;当渗氮偏压为-500V时,样品表面形态相对平滑,晶格畸变较小,界面接触电阻ICR值为170mΩ/cm~2,在PEM型燃料电池工作环境中耐蚀性较好且运行稳定;利用恒电位方法,0.6V成膜电位下在渗氮层表面上沉积1h钝化膜,钝化膜表现出p型半导体特征,-500V时界面化学反应速度较慢,耐蚀性较好。灯丝电流对氮、铬共沉积Cr/CrN_x涂层性能研究表明:灯丝电流为4A时,晶粒尺寸均匀,晶格畸变小,晶粒完整度高;涂层由Cr相和CrN相组成;在模拟PEM型燃料电池双极板工作环境中涂层耐蚀性较好,涂层交流阻抗谱由电荷转移步骤和扩散步骤组成;ICR值在7.64mΩ/cm~2左右;涂层钝化膜类型由p型半导体转变成为n型半导体特征。渗氮时间对镀Cr后渗氮沉积Cr/Cr_2N涂层性能研究表明:随着渗氮沉积时间增加,晶粒由长条胞状Cr转变为圆胞状Cr_2N,晶胞间结合处并无明显孔隙,晶胞更细小且无纵向空孔洞;Cr(200)峰向Cr_2N(111)峰转化且Cr(200)峰逐渐减弱;渗氮0h时为Cr涂层,此时耐蚀性较好但接触电阻为567mΩ·cm~(-2),是Cr/Cr_2N涂层的七倍左右。综合分析,渗氮时间为4h时,涂层为圆胞状结构,Cr_2N峰较强,耐蚀性较好且运行较稳定,ICR为80mΩ/cm~2。Cr表面钝化膜表现出n型半导体特性,而Cr/Cr_2N表面钝化膜表现出p-type半导体特性。
【图文】：

结构示意图,双极板

而被认为是运输和住宅应用的主要动力源之一[13-17]。PEMFC 的主要组件是膜电极 MEA（Membrane Electrode Assembly）、气体扩散层 GDL（Gas Diffusion Layer和双极板 BP（Bipolar Plate）。PEMFC 可以将化学能转换为电能，，因其在低温（70~90℃）下高功率密度性因此非常有应用前景。与内燃机不同，燃料不会产生空气污染以及固体污染物由于单个电池只能提供约 0.5~0.7V 的输出电压，因此电池串联堆叠在一起，通过双极板连接。双极板是 PEMFC 堆叠中的多功能组件，因为它们收集并传导电池中的电流，并将气体分离，板中的流动通道将反应气体输送到燃料电池电极在典型的燃料电池堆中，双极板占了超过 80％的质量和几乎所有的体积。1.1.2 PEMFC 构成单个 PEMFC 系统是双极板、碳纤维带、阳极、催化剂、薄膜、阴极等部分构成，图 1.1 为 PEMFC 单电池结构示意图。其中，膜电极与双极板至关重要。双极板在 PEMFC 中不仅负责导通，还能够分离氧化剂、还原剂两部分。

等离子增强,磁控溅射镀膜

图 2.2 等离子增强平衡（回旋式）磁控溅射镀膜系统Fig. 2.2 Plasma enhanced magnetron sputtering system化学测试方法 PEMFC 双极板研究中，提升其耐腐蚀性特别重要。现如今，在 PEMFC 使用环境里，利用 Autolab 电化学工作站在电解液行耐腐蚀性能检测，其内容包含试样的动电位极化曲线、恒电、阳极）、交流阻抗谱（EIS）以及 Mott-Schottky 曲线等。验所采用的是 Autolab 电化学工作站，设备实物见图 2.3，并配ency ResponseAnalysis software）、GPES（General Purpose Electr软件。本实验利用这两个软件进行控制、检测和分析。本实验待测试样是工作电极（WE），铂片电极即辅助电极（CE），参比电极（RE）。实验溶液为（0.5mol/L H2SO4+5×10-6mol/本文中所用工作电极是经过表面处理的 316L 不锈钢，将其背
【学位授予单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG174.4;TM911.4

【参考文献】