等离子表面改性钛金属双极板的制备及性能研究
发布时间：2021-07-10 05:11
交通污染对环境的影响很大,所以我们需要清洁高效的燃料电池汽车对其改良。燃料电池汽车中的关键装置燃料电池是在不需要燃烧的前提下就可以直接把化学能转变为电能的装置。在燃料电池中,质子交换膜燃料电池（PEMFC）因为具备比功率高、低温启动速度快、高寿命等原因被广大研究员青睐,拥有广泛的商业化前景。双极板是PEMFC的关键组件,它的好坏决定着PEMFC工作寿命、输出功率等性能的优良。在PEMFC工作环境中钛金属双极板的接触电阻较大,而对双极板进行表面改性则是解决这一问题的良方之一。本文采用双辉光等离子表面改性技术在钛金属TA1表面制备了 Zr改性层和ZrC改性层。首先使用控制变量法探究了制备Zr-TA1和ZrC-TA1双极板的合理工艺参数。之后探究了 Zr-TA1和ZrC-TA1板的表面组织形貌和元素变化,并且在对双极板的耐腐蚀性能、极化前后导电性能、疏水性能、稳定性能等性能进行了分析对比。结果表明Zr-TA1和ZrC-TA1双极板的表面均匀、平整、致密且没有明显的缺陷。改性层的厚度为3μm左右,扩散层厚度为1μm左右。在模拟PEMFC阴极和阳极环境中对Zr-TA1和ZrC-TA1板进行了动电...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３邓辉光等离子改性技术原理图??Ｆｉｇ．?１．３?Ｄｏｕｂｌｅ?ｇｌｏｗ?ｐｌａｓｍａ?ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ??
本文主要对Ｚｒ－ＴＡｌ与ＺｒＣ－ＴＡｌ双极板在模拟ＰＥＭＦＣ环境的动电位与恒电位极化??曲线进行测试。动电位极化曲线显示了在模拟ＰＥＭＦＣ环境中样品的腐蚀电流密度随电??极电位的变化规律。图２．２是典型动电位极化曲线的示意图，它能够分列出包括过钝化??区、稳定钝化区、过渡区和活化区在内的各个区域。其自腐蚀电位在＾和维钝电流密度??／ＰＰ等皆是研究金属电化学性能的重要数据。样品的自腐蚀电位及。ｒｒ越大和致钝电流／ＰＰ??越小，样品就越容易钝化，它的耐腐蚀性也就更强。如果在表面处理之后样品在ＰＥＭＦＣ??环境中位于钝化区，它的腐蚀速度会较低，说明样品的耐腐蚀性被增强了。在实验开始??时会先在幵路电压下稳定３０ｍｍ左右并记录开路电压，然后会在开路电压减去２００ｍＶ??的电位下进行动电位极化曲线实验，实验的终止电极电位是１．２Ｖ并且扫描速率是ｌｍＶ??ｓ＇除了动电位极化曲线测试之外，我们还进行了恒电位极化曲线测试，恒电位极化曲??线会显示在模拟ＰＫＭＦＣ环境中，电极电位确定的情况下，样品的腐蚀电流密度和测试??时间的变化情况［９５］。在ＰＥＭＦＣ的实际工作情况中，双极板阴极侧和阳极侧的电位分别??是０．６Ｖ与－０．１Ｖ。所以在恒电位极化曲线测试中，将恒定电位分别设置为－０．１Ｖ（ｖｓ．?ＳＣＥ）??和０．６Ｖ?（ｖｓ．?ＳＣＥ）来测量试样的腐蚀电流密度，恒电位测试时间是４个小时。在电化??学腐蚀方向，恒电位极化测试一般用来表征样品的钝化行为和评价样品的稳定性［％１。??／（?活化区过渡区稳定钝化区?过钝化区??－ｉ－－＾?！??，ｉ／Ｌｐ??邐?ｐ?，?？?？?—＊?？?？?．?？了?？?＾丨?１?＇?＊??＊???Ｅｐｐ?Ｅｐ
２．?３．?２接触电阻测试??使用了?Ｗａｎｇ等使用的方法对样品在不同压应力下和碳纸间的接触电阻进行测??试，测量的方法和原理如图２．３?（ａ）?－?（ｂ）所示。这个接触电阻测试装置是将样品夹在??两张碳纸（ＴＧＰ－Ｈ－９００）中间，之后两侧会夹着两块导电性优异的铜块，在铜块上面焊??有铜导线来连接电化学工作站和压力传感器，并且压力的变化（２０Ｎ－２４０Ｎ）会由ＭＣＫ－??Ｃ型的压力传感器来显示。除此之外，在接触电阻测试实验中电流是恒定的（ｉ〇〇ｍＡ）。??最后，实验中会改变压应力的大小并且记录电路中电势的变化。??（ａ）?Ｐｒｅｓｓｕｒｅ?（ｂ）?｜Ｐｒｅｓｓｕｒｅ????Ｃｕ????Ｃｕ??Ｃａｒｂｏｎ?ｐａｐｅｒ??（ａ）?‘?？?（ａ）?Ｃａｒｂｏｎ?ｐａｐｅｒ??—ｐａｐｅｒ?Ｊ????Ｃｕ?????Ｃｕ????ＩｒＬｓｉｉｌａｉｏｒ?Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ??Ｐｒｅｓｓｕｒｅ?｜?Ｐｒｅｓｓｕｒｅ??图２．?３接触电阻测量原理图??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ?ｃｏｎｔａｃｔ?ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ?ｔｅｓｔ??在实验中，整个回路的电阻Ｒｌ可以用以下方法计算：??Ｒｉ?＝?Ｖｉ?Ａｓ?／?Ｉｉ?（２－１）??在式（２－１）中，Ｒｉ是电流回路的电阻，Ｖｒ是整个电流回路的电势降低值，ｈ为电??源产生的恒电流值，Ａｓ为样品与碳纸之间的接触面积。同时Ｒ，也可以用下式来表示：??Ｒｉ?＝?２?（Ｒ〇ｕ?＋?Ｒｃ?＋?Ｒｃ／ｃｕ?＋?ＩＣＲ）?＋?Ｒ：?（２－２）??在式（２－２）中，Ｒｃ和ＲＣｕ分别为碳纸和铜块本身
【参考文献】：
期刊论文
[1]高温车用燃料电池的发展及现状综述[J]. 赵俊杰,涂正凯. 化工进展. 2020(05)
[2]在纯钛表面制备疏水和抗腐蚀性碳-PTFE复合涂层的性能（英文）[J]. 高美连,伍小波,高平平,雷霆,刘春轩,谢志勇. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(11)
[3]质子交换膜燃料电池双极板材料研究进展[J]. 赵秋萍,牟志星,张斌,郭军红,杨柳. 化工新型材料. 2019(11)
[4]PEMFC钛双极板表面NbN改性研究[J]. 高正远,黄乃宝,邵志刚,乔少明,张媛媛. 电源技术. 2019(10)
[5]316L不锈钢双极板磁控溅射镀层的耐蚀性与导电性能[J]. 宓保森,周科,秦子威,陈卓,汪宏斌. 材料保护. 2019(09)
[6]GO-PTFE-C涂层改性Ti金属板的防腐性能研究[J]. 王骏斌,谢志勇,高平平,伍小波,陶韬,欧阳涛,黄启忠. 表面技术. 2019(03)
[7]钛双极板表面原位生成TiN涂层的性能研究[J]. 陶韬,陈刚,高平平,谢志勇,刘春轩. 表面技术. 2018(01)
[8]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)
[9]离子注入Nb不锈钢双极板的耐孔蚀性能研究[J]. 梁成浩,曹彩红,黄乃宝. 材料科学与工艺. 2014(05)
[10]质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法综述[J]. 吴海华,刘富林,李厅,黄川. 电源技术. 2014(08)
博士论文
[1]不锈钢表面导电聚合物涂层的制备及防腐蚀机理研究[D]. 蒋莉.南京大学 2019
[2]燃料电池化学有序铂基催化剂氧还原反应催化性能的研究[D]. 蔡业政.北京化工大学 2018
[3]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
硕士论文
[1]钛及钛合金脉冲等离子体爆炸表面改性研究[D]. 陈宇海.南昌航空大学 2019
[2]燃料电池动力系统特性及其控制研究[D]. 宋天助.吉林大学 2019
[3]改性聚酰亚胺质子交换膜的制备及性能研究[D]. 刘冬芹.哈尔滨工业大学 2019
[4]燃料电池低铂/非铂阴极催化剂的制备及其电催化活性探究[D]. 王艺.华南理工大学 2019
[5]40Cr表面双层辉光等离子表面合金化制备梯度涂层工艺及组织性能研究[D]. 蒋杰.重庆理工大学 2019
[6]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[D]. 钱阳.南京航空航天大学 2015
[7]Pt/WC@TiO2核壳结构复合催化剂的制备及其电化学性能的研究[D]. 徐晨彬.浙江工业大学 2013
[8]PEM燃料电池不锈钢双极板的表面改性研究[D]. 朱凤强.大连海事大学 2010
[9]纯钛及Ti6Al4V合金表面双层辉光离子渗Zr及Zr-N共渗改性层的组织结构及摩擦学性能研究[D]. 叶姣荣.太原理工大学 2010
本文编号：3275255
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３邓辉光等离子改性技术原理图??Ｆｉｇ．?１．３?Ｄｏｕｂｌｅ?ｇｌｏｗ?ｐｌａｓｍａ?ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ??
本文主要对Ｚｒ－ＴＡｌ与ＺｒＣ－ＴＡｌ双极板在模拟ＰＥＭＦＣ环境的动电位与恒电位极化??曲线进行测试。动电位极化曲线显示了在模拟ＰＥＭＦＣ环境中样品的腐蚀电流密度随电??极电位的变化规律。图２．２是典型动电位极化曲线的示意图，它能够分列出包括过钝化??区、稳定钝化区、过渡区和活化区在内的各个区域。其自腐蚀电位在＾和维钝电流密度??／ＰＰ等皆是研究金属电化学性能的重要数据。样品的自腐蚀电位及。ｒｒ越大和致钝电流／ＰＰ??越小，样品就越容易钝化，它的耐腐蚀性也就更强。如果在表面处理之后样品在ＰＥＭＦＣ??环境中位于钝化区，它的腐蚀速度会较低，说明样品的耐腐蚀性被增强了。在实验开始??时会先在幵路电压下稳定３０ｍｍ左右并记录开路电压，然后会在开路电压减去２００ｍＶ??的电位下进行动电位极化曲线实验，实验的终止电极电位是１．２Ｖ并且扫描速率是ｌｍＶ??ｓ＇除了动电位极化曲线测试之外，我们还进行了恒电位极化曲线测试，恒电位极化曲??线会显示在模拟ＰＫＭＦＣ环境中，电极电位确定的情况下，样品的腐蚀电流密度和测试??时间的变化情况［９５］。在ＰＥＭＦＣ的实际工作情况中，双极板阴极侧和阳极侧的电位分别??是０．６Ｖ与－０．１Ｖ。所以在恒电位极化曲线测试中，将恒定电位分别设置为－０．１Ｖ（ｖｓ．?ＳＣＥ）??和０．６Ｖ?（ｖｓ．?ＳＣＥ）来测量试样的腐蚀电流密度，恒电位测试时间是４个小时。在电化??学腐蚀方向，恒电位极化测试一般用来表征样品的钝化行为和评价样品的稳定性［％１。??／（?活化区过渡区稳定钝化区?过钝化区??－ｉ－－＾?！??，ｉ／Ｌｐ??邐?ｐ?，?？?？?—＊?？?？?．?？了?？?＾丨?１?＇?＊??＊???Ｅｐｐ?Ｅｐ
２．?３．?２接触电阻测试??使用了?Ｗａｎｇ等使用的方法对样品在不同压应力下和碳纸间的接触电阻进行测??试，测量的方法和原理如图２．３?（ａ）?－?（ｂ）所示。这个接触电阻测试装置是将样品夹在??两张碳纸（ＴＧＰ－Ｈ－９００）中间，之后两侧会夹着两块导电性优异的铜块，在铜块上面焊??有铜导线来连接电化学工作站和压力传感器，并且压力的变化（２０Ｎ－２４０Ｎ）会由ＭＣＫ－??Ｃ型的压力传感器来显示。除此之外，在接触电阻测试实验中电流是恒定的（ｉ〇〇ｍＡ）。??最后，实验中会改变压应力的大小并且记录电路中电势的变化。??（ａ）?Ｐｒｅｓｓｕｒｅ?（ｂ）?｜Ｐｒｅｓｓｕｒｅ????Ｃｕ????Ｃｕ??Ｃａｒｂｏｎ?ｐａｐｅｒ??（ａ）?‘?？?（ａ）?Ｃａｒｂｏｎ?ｐａｐｅｒ??—ｐａｐｅｒ?Ｊ????Ｃｕ?????Ｃｕ????ＩｒＬｓｉｉｌａｉｏｒ?Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ??Ｐｒｅｓｓｕｒｅ?｜?Ｐｒｅｓｓｕｒｅ??图２．?３接触电阻测量原理图??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ?ｃｏｎｔａｃｔ?ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ?ｔｅｓｔ??在实验中，整个回路的电阻Ｒｌ可以用以下方法计算：??Ｒｉ?＝?Ｖｉ?Ａｓ?／?Ｉｉ?（２－１）??在式（２－１）中，Ｒｉ是电流回路的电阻，Ｖｒ是整个电流回路的电势降低值，ｈ为电??源产生的恒电流值，Ａｓ为样品与碳纸之间的接触面积。同时Ｒ，也可以用下式来表示：??Ｒｉ?＝?２?（Ｒ〇ｕ?＋?Ｒｃ?＋?Ｒｃ／ｃｕ?＋?ＩＣＲ）?＋?Ｒ：?（２－２）??在式（２－２）中，Ｒｃ和ＲＣｕ分别为碳纸和铜块本身
【参考文献】：
期刊论文
[1]高温车用燃料电池的发展及现状综述[J]. 赵俊杰,涂正凯. 化工进展. 2020(05)
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[6]GO-PTFE-C涂层改性Ti金属板的防腐性能研究[J]. 王骏斌,谢志勇,高平平,伍小波,陶韬,欧阳涛,黄启忠. 表面技术. 2019(03)
[7]钛双极板表面原位生成TiN涂层的性能研究[J]. 陶韬,陈刚,高平平,谢志勇,刘春轩. 表面技术. 2018(01)
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博士论文
[1]不锈钢表面导电聚合物涂层的制备及防腐蚀机理研究[D]. 蒋莉.南京大学 2019
[2]燃料电池化学有序铂基催化剂氧还原反应催化性能的研究[D]. 蔡业政.北京化工大学 2018
[3]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
硕士论文
[1]钛及钛合金脉冲等离子体爆炸表面改性研究[D]. 陈宇海.南昌航空大学 2019
[2]燃料电池动力系统特性及其控制研究[D]. 宋天助.吉林大学 2019
[3]改性聚酰亚胺质子交换膜的制备及性能研究[D]. 刘冬芹.哈尔滨工业大学 2019
[4]燃料电池低铂/非铂阴极催化剂的制备及其电催化活性探究[D]. 王艺.华南理工大学 2019
[5]40Cr表面双层辉光等离子表面合金化制备梯度涂层工艺及组织性能研究[D]. 蒋杰.重庆理工大学 2019
[6]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[D]. 钱阳.南京航空航天大学 2015
[7]Pt/WC@TiO2核壳结构复合催化剂的制备及其电化学性能的研究[D]. 徐晨彬.浙江工业大学 2013
[8]PEM燃料电池不锈钢双极板的表面改性研究[D]. 朱凤强.大连海事大学 2010
[9]纯钛及Ti6Al4V合金表面双层辉光离子渗Zr及Zr-N共渗改性层的组织结构及摩擦学性能研究[D]. 叶姣荣.太原理工大学 2010
本文编号：3275255
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