镀金双极板应用于质子交换膜燃料电池中的腐蚀失效分析
发布时间：2020-12-24 08:33
研究了在上海汽车集团股份有限公司(SAIC)的质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆中运行2 000 h后的镀金双极板的导电性和耐蚀性,探讨了双极板的腐蚀失效机制,得出其失效主要由原电池腐蚀和缝隙腐蚀引起。
【文章来源】：电镀与涂饰. 2020年13期 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
服役2000h后镀金双极板的表面状态(a)和点蚀坑形貌(b)Figure1Surfacestate(a)ofgold-coatedbipolarplateafterworkingfor2000handmorphologyofthecorrosionpits(b)onit(a)(b)
坪玫牧鞯澜峁梗?缓蟠趴亟ι渚?鹊摹⒑穸任?35nm的纯金镀层。电堆中服役前后统一基于双极板阴极侧的状态变化进行观察，电化学的离线模拟测试没有阴、阳极之分。2失效情况分析2.1表面状态从图1a可知，在PEMFC电堆中服役2000h后，镀金316L不锈钢双极板的阴极侧出现均匀分布的黑点。采用JEOLJSE-6700F扫描电镜(SEM)观察这些黑点可见有明显的点蚀坑(见图1b)，主要分布在双极板冲压流道结构的脊部，少量位于流道的沟槽中。总体而言，点蚀的分布较均匀，部分腐蚀严重区域有金层脱落(见图2)。(a)(b)图1服役2000h后镀金双极板的表面状态(a)和点蚀坑形貌(b)Figure1Surfacestate(a)ofgold-coatedbipolarplateafterworkingfor2000handmorphologyofthecorrosionpits(b)onit图2服役2000h后双极板表面镀金层的脱落情况Figure2Peelingphenomenonofgoldcoatingonbipolarplateafterworkingfor2000h2.2耐蚀性采用美国普林斯顿P3000A电化学工作站测试双极板在由稀硫酸和0.1mg/L氢氟酸组成的溶液(pH=3)中的塔菲尔(Tafel)曲线，将样品切割成2.5cm×5.0cm大小，用酚醛树脂夹板和硅胶封闭，只露出2.2cm2的圆形区域，以铂电极作为对电极，银/氯化银(Ag/AgCl)电极作为参比电极，扫描电位范围为0.4~0.6V[相对于标准氢电极(SHE)]，扫描速率为1mV/s，测试前经过30min的开路电位(OCP)测试。从图3可知，未服役和在电堆中服役2000h后双极板的开路电位都稳定在0.18V(相对于SHE)左右，采用电化学工作站自带的PowerSuite软件拟合得到未服役和在电堆中服役2000h的镀Au双极板的腐蚀电流密度分别为2.43×107A/cm2和4.76×107A
镀金双极板应用于质子交换膜燃料电池中的腐蚀失效分析854如图8所示，PEMFC的电子流会促进双极板阴极侧的原电池腐蚀，因为阴极侧原电池的电子流方向和PEMFC的电子流移动方向相同。同理，由于阳极侧原电池的电子流方向与PEMFC的电子流方向相反，其原电池腐蚀受到抑制，在双极板的阳极侧只会形成很少的点蚀。图9总结了金属双极板腐蚀的失效机制。镀层失效来源于不锈钢基板的缺陷和双极板脊部与GDL形成的界面，该界面提供了缝隙腐蚀所需的条件，而基板缺陷促进了原电池腐蚀的发生。图8镀金双极板的原电池腐蚀机制Figure8Mechanismofgalvaniccorrosionongold-coatedbipolarplate图9镀金双极板的失效机制Figure9Failuremechanismofgold-coatedbipolarplate4结语根据对镀金316L不锈钢双极板在上海汽车集团股份有限公司的PEMFC电堆中服役2000h前、后导电性和耐蚀性的研究，认为镀金双极板在PEMFC电堆中服役的失效机制主要包含以下两方面：一是双极板脊部与GDL之间的接触导致缝隙腐蚀的发生，二是基体加工和镀层溅射过程中形成的原始缺陷导致原电池腐蚀的发生。通过精选不锈钢原材料和优化磁控溅射工艺来提高镀层的致密性，尽量减少缝隙腐蚀，是提升双极板使用寿命的有效途径。参考文献：[1]沈杰,刘卫,王铁钢,等.304不锈钢双极板表面TiN涂层的腐蚀和导电行为研究[J].中国腐蚀与防护学报,2017,37(1):63-68.[2]MAL,WARTHESENS,SHORESDA.EvaluationofmaterialsforbipolarplatesinPEMFCs[J].JournalofNewMaterialsforElectrochemicalSystems,2000,3(3):221-228.[3]ABDULLAHAM,MOHAMMADAM,OKAJIMAT,etal.Effectofload,temperatureandhumidity
【参考文献】：
期刊论文
[1]质子交换膜燃料电池双极板材料研究进展[J]. 李俊超,王清,蒋锐,吴爱民,林国强,董闯. 材料导报. 2018(15)
[2]304不锈钢双极板表面TiN涂层的腐蚀和导电行为研究[J]. 沈杰,刘卫,王铁钢,潘太军. 中国腐蚀与防护学报. 2017(01)
[3]燃料电池不锈钢双极板表面改性研究进展[J]. 方亮. 电源技术. 2013(07)
[4]表面改性金属双极板在直接甲醇燃料电池中的应用[J]. 杨春,王金海,谢晓峰,尚玉明,王树博,毛宗强. 化工学报. 2011(S1)
本文编号：2935334
【文章来源】：电镀与涂饰. 2020年13期 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
服役2000h后镀金双极板的表面状态(a)和点蚀坑形貌(b)Figure1Surfacestate(a)ofgold-coatedbipolarplateafterworkingfor2000handmorphologyofthecorrosionpits(b)onit(a)(b)
坪玫牧鞯澜峁梗?缓蟠趴亟ι渚?鹊摹⒑穸任?35nm的纯金镀层。电堆中服役前后统一基于双极板阴极侧的状态变化进行观察，电化学的离线模拟测试没有阴、阳极之分。2失效情况分析2.1表面状态从图1a可知，在PEMFC电堆中服役2000h后，镀金316L不锈钢双极板的阴极侧出现均匀分布的黑点。采用JEOLJSE-6700F扫描电镜(SEM)观察这些黑点可见有明显的点蚀坑(见图1b)，主要分布在双极板冲压流道结构的脊部，少量位于流道的沟槽中。总体而言，点蚀的分布较均匀，部分腐蚀严重区域有金层脱落(见图2)。(a)(b)图1服役2000h后镀金双极板的表面状态(a)和点蚀坑形貌(b)Figure1Surfacestate(a)ofgold-coatedbipolarplateafterworkingfor2000handmorphologyofthecorrosionpits(b)onit图2服役2000h后双极板表面镀金层的脱落情况Figure2Peelingphenomenonofgoldcoatingonbipolarplateafterworkingfor2000h2.2耐蚀性采用美国普林斯顿P3000A电化学工作站测试双极板在由稀硫酸和0.1mg/L氢氟酸组成的溶液(pH=3)中的塔菲尔(Tafel)曲线，将样品切割成2.5cm×5.0cm大小，用酚醛树脂夹板和硅胶封闭，只露出2.2cm2的圆形区域，以铂电极作为对电极，银/氯化银(Ag/AgCl)电极作为参比电极，扫描电位范围为0.4~0.6V[相对于标准氢电极(SHE)]，扫描速率为1mV/s，测试前经过30min的开路电位(OCP)测试。从图3可知，未服役和在电堆中服役2000h后双极板的开路电位都稳定在0.18V(相对于SHE)左右，采用电化学工作站自带的PowerSuite软件拟合得到未服役和在电堆中服役2000h的镀Au双极板的腐蚀电流密度分别为2.43×107A/cm2和4.76×107A
镀金双极板应用于质子交换膜燃料电池中的腐蚀失效分析854如图8所示，PEMFC的电子流会促进双极板阴极侧的原电池腐蚀，因为阴极侧原电池的电子流方向和PEMFC的电子流移动方向相同。同理，由于阳极侧原电池的电子流方向与PEMFC的电子流方向相反，其原电池腐蚀受到抑制，在双极板的阳极侧只会形成很少的点蚀。图9总结了金属双极板腐蚀的失效机制。镀层失效来源于不锈钢基板的缺陷和双极板脊部与GDL形成的界面，该界面提供了缝隙腐蚀所需的条件，而基板缺陷促进了原电池腐蚀的发生。图8镀金双极板的原电池腐蚀机制Figure8Mechanismofgalvaniccorrosionongold-coatedbipolarplate图9镀金双极板的失效机制Figure9Failuremechanismofgold-coatedbipolarplate4结语根据对镀金316L不锈钢双极板在上海汽车集团股份有限公司的PEMFC电堆中服役2000h前、后导电性和耐蚀性的研究，认为镀金双极板在PEMFC电堆中服役的失效机制主要包含以下两方面：一是双极板脊部与GDL之间的接触导致缝隙腐蚀的发生，二是基体加工和镀层溅射过程中形成的原始缺陷导致原电池腐蚀的发生。通过精选不锈钢原材料和优化磁控溅射工艺来提高镀层的致密性，尽量减少缝隙腐蚀，是提升双极板使用寿命的有效途径。参考文献：[1]沈杰,刘卫,王铁钢,等.304不锈钢双极板表面TiN涂层的腐蚀和导电行为研究[J].中国腐蚀与防护学报,2017,37(1):63-68.[2]MAL,WARTHESENS,SHORESDA.EvaluationofmaterialsforbipolarplatesinPEMFCs[J].JournalofNewMaterialsforElectrochemicalSystems,2000,3(3):221-228.[3]ABDULLAHAM,MOHAMMADAM,OKAJIMAT,etal.Effectofload,temperatureandhumidity
【参考文献】：
期刊论文
[1]质子交换膜燃料电池双极板材料研究进展[J]. 李俊超,王清,蒋锐,吴爱民,林国强,董闯. 材料导报. 2018(15)
[2]304不锈钢双极板表面TiN涂层的腐蚀和导电行为研究[J]. 沈杰,刘卫,王铁钢,潘太军. 中国腐蚀与防护学报. 2017(01)
[3]燃料电池不锈钢双极板表面改性研究进展[J]. 方亮. 电源技术. 2013(07)
[4]表面改性金属双极板在直接甲醇燃料电池中的应用[J]. 杨春,王金海,谢晓峰,尚玉明,王树博,毛宗强. 化工学报. 2011(S1)
本文编号：2935334
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/2935334.html
教材专著
