PEMFC不锈钢双极板表面改性碳基薄膜及其特性研究

发布时间：2017-10-12 20:17

  本文关键词：PEMFC不锈钢双极板表面改性碳基薄膜及其特性研究

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【摘要】：双极板是质子交换膜燃料电池最关键的组成部分之一,其质量和成本在燃料电池中占很大比重。金属双极板尤以不锈钢材料以其优良的导电导热性,易于加工成型,成本低等特点,赢得诸多学者的关注。但其表面会生成导电性较差的氧化层,同时在燃料电池工作环境下易发生腐蚀。采用表面处理技术对不锈钢基体材料进行表面改性成为提高其服役性能和解决其大规模应用问题的关键。本文采用自主设计研发的磁过滤阴极弧复合溅射镀膜仪,选用304不锈钢为基体材料,通过筛选不同的薄膜改性材料以及工艺优化等,制备出具有最佳性能的改性材料。研究结果如下:1)综合对比了不同材料体系薄膜的导电与耐蚀性能,发现类石墨非晶碳膜具有最优的导电性能,同时具有极佳的耐腐蚀性能。2)在碳膜制备过程中,入射离子的轰击能量对于薄膜的沉积起着至关重要的作用,它直接影响着制备出的薄膜的微观结构,进而对其耐蚀性,导电性均会产生较大的影响。通过选取-50V,-200V,-350V偏压,发现在偏压为-200V时,制备的薄膜具有最高的sp2含量和最佳的致密性,展现出最佳的导电性与耐蚀性。3)碳基薄膜和不锈钢间较差的亲和力使得将其直接沉积在不锈钢上会导致薄膜剥落等缺陷。金属过渡层不仅能增强其与基体的结合性能,同时不同过渡层对碳膜的微观结构和性能有着较大的影响。通过对比常见几种用于过渡层的金属(Cr,Ti,W),发现以Cr为过渡层制备的碳膜具有最佳的导电与耐蚀性能。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 碳基薄膜 磁控溅射 接触电阻 耐蚀性 接触角
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142.71
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 质子交换膜燃料电池10-11
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池结构与工作原理11
• 1.3 质子交换膜燃料电池双极板11-14
• 1.3.1 PEMFC双极板功能与特点11-12
• 1.3.2 双极板材料12-13
• 1.3.3 不锈钢双极板的研究进展13-14
• 1.4 不锈钢双极板材料改性的研究进展14-19
• 1.4.1 金属涂层14-15
• 1.4.2 金属氮/碳化物涂层15-17
• 1.4.3 碳基涂层17-18
• 1.4.4 导电聚合物涂层18-19
• 1.5 本文主要研究内容19-20
• 第2章 实验设备与方法20-28
• 2.1 薄膜制备与实验方法20-22
• 2.1.1 技术路线20-21
• 2.1.2 实验样品21
• 2.1.3 镀膜设备21-22
• 2.1.4 实验方法22
• 2.2 薄膜结构与形貌表征22-24
• 2.2.1 扫描电镜22
• 2.2.2 扫描探针显微镜22-23
• 2.2.3 透射电镜23
• 2.2.4 Raman光谱23-24
• 2.3 双极板性能测试方法24-28
• 2.3.1 薄膜电导率测试24
• 2.3.2 接触电阻测试24-25
• 2.3.3 耐腐蚀性能测试25-27
• 2.3.4 接触角测试27-28
• 第3章 不锈钢双极板表面沉积不同材料薄膜性能对比28-38
• 3.1 引言28
• 3.2 薄膜制备28-29
• 3.3 不锈钢在PEMFC环境中的导电性与耐蚀性29-31
• 3.3.1 不锈钢接触电阻测试29-30
• 3.3.2 不锈钢耐蚀性能测试30-31
• 3.4 不锈钢改性薄膜导电与耐蚀性研究31-37
• 3.4.1 不锈钢表面镀TiN和TiSiN导电性与耐蚀性测试31-33
• 3.4.2 不锈钢表面镀CrCx薄膜导电性与耐蚀性测试33-34
• 3.4.3 不锈钢表面镀Me-DLC薄膜导电性与耐蚀性测试34-37
• 3.5 小结37-38
• 第4章 基体偏压对直流磁控溅射类石墨碳膜导电与耐蚀性影响研究38-46
• 4.1 引言38
• 4.2 薄膜制备38-39
• 4.3 薄膜表征39-41
• 4.3.1 薄膜表面形貌39-40
• 4.3.2 碳膜结构分析40-41
• 4.4 薄膜导电性研究41-42
• 4.4.1 薄膜电阻率41-42
• 4.4.2 薄膜接触电阻42
• 4.5 薄膜耐蚀性研究42-43
• 4.6 薄膜表面亲疏水性研究43-45
• 4.7 小结45-46
• 第5章 不同过渡层对直流磁控溅射类石墨碳膜导电与耐蚀性影响研究46-58
• 5.1 引言46
• 5.2 薄膜制备46-47
• 5.3 薄膜表征47-50
• 5.3.1 薄膜表面形貌47-49
• 5.3.2 碳膜结构分析49-50
• 5.4 薄膜导电性研究50-53
• 5.4.1 薄膜电阻率50-52
• 5.4.2 薄膜接触电阻52-53
• 5.5 薄膜耐蚀性研究53-56
• 5.5.1 动电位极化曲线53-54
• 5.5.2 恒电位极化曲线54-56
• 5.6 薄膜表面亲疏水性研究56-57
• 5.7 小结57-58
• 第6章 结论与展望58-60
• 6.1 结论58-59
• 6.2 展望59-60
• 参考文献60-64
• 致谢64-66
• 攻读学位期间参加的科研项目与成果66

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本文编号：1020699