质子交换膜燃料电池金属双极板表面改性研究进展

双极板是质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）的关键部件,对燃料电池的寿命、成本及性能具有重要影响。相比于石墨双极板和碳基复合材料双极板,金属双极板体积小、强度高、导电性能优异,已成为PEMFC双极板的主流材料。然而金属双极板易在PEFMC两极环境中产生腐蚀,且极板表面生成的氧化膜会降低其导电性,严重阻碍了金属双极板的进一步应用。从金属双极板基材选材、涂层结构设计及其性能等方面综述了金属双极板表面改性研究进展,特别探讨了金属双极板金属基涂层（贵金属、金属碳/氮化物、合金等）和碳基涂层（石墨、导电聚合物、无定型碳等）的最新研究成果,从涂层的膜基结合强度、耐蚀性、导电性和疏水性等方面探讨了现有涂层的优劣,涂层结构复合和纳米化有助于提升涂层的致密性,同时可进一步提升涂层导电性和耐蚀性。如何降低金属双极板材料和表面改性成本,提高极板耐蚀性、导电性和可靠性成为双极板研究的趋势,其对PEFMC性能提升和产业化推进具有重大意义。     

质子交换膜燃料电池极板及其表面改性研究进展

在质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs）的部件中,双极板是重要组成部分。双极板约占燃料电池成本、质量、体积的40 %、80 %、50 %。传统的PEMFC因为石墨双极板的材料、工艺等问题,造成其体积和质量较大,这增加了汽车的重量,缩小了汽车底盘地可用空间,影响了质子交换膜燃料电池汽车的性能。因此开发体积小、成本低、制备工艺简单的双极板对推进质子交换膜燃料电池的商业化应用具有重要意义。金属双极板因其成本低、力学性能好、导电性、导热性、体积相对易控等特点,在PEMFC领域备受关注。但金属双极板在PEMFC环境中易生成钝化膜,导致其接触电阻增加。因此,如何在提高金属双极板耐蚀性的同时,保持良好的导电性,是当前对PEMFC研究的重点。本文综述了石墨、复合材料和金属双极板制备工艺及表面改性方法。讨论了双极板及其表面碳化物涂层、金属涂层和氮化物涂层的优缺点,并比较了这些涂层在PEMFC环境下的耐腐蚀性和界面接触电阻性能。     

质子交换膜燃料电池中TA1双极板的表面改性研究

针对TA1金属双极板,采用双辉光等离子方法制备出表面Zr改性层(Zr-TA1),研究了改性层的微观结构和性能.结果 表明,Zr改性层厚度约为3μm且表面平整致密.在模拟PEMFC阴/阳极环境下,Zr-TA1的自腐蚀电位明显升高,腐蚀电流密度降低了1～2个数量级.Zr改性层提高了TA1的疏水性能,其接触角由TA1双极板的...     

PEMFC铝合金双极板表面改性研究现状与发展

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作为第五代燃料电池,是最具发展前景的新能源电池,其中双极板作为PEMFC的核心元件,不仅能将单一电池链接起来形成电池堆,起到支撑作用,还具有提供气体流道、隔绝阴阳极两端等作用,对燃料电池工作性能、寿命起到关键作用。其中铝合金作为一种具有良好导电性能、成本低、轻质的材料,在PEMFC双极板材料方面应用潜力巨大。但铝合金双极板耐腐性不佳,在PEMFC工作环境下极易被腐蚀,且其表面生成的钝化膜,增大了电池的接触电阻,从而对电池性能和寿命产生不利影响,而通过铝合金表面改性是解决该问题的主流方法。首先概述了PEMFC原理、双极板材料类型及内部环境,然后阐述了PEMFC中铝合金双极板的服役问题,并对近年来铝合金双极板的表面改性进行分类。重点概括了铝合金表面金属及其化合物涂层(贵金属、金属氮/碳化物、镍磷金属涂层)与非金属涂层(碳基涂层、高分子聚合物涂层)的结构设计、成分优化、服役性能特点。分析结果表明,选用低成本、具有良好耐蚀性和导电性的金属惨杂的无定型碳、金属碳/氮化物涂层,能降低双极板生产成本,提高双极板工作性能,并对涂层设计出多层复合涂层,能打断涂层中的细长针孔缺陷,提高涂层的完整性和致密性。在铝合金表面进行改性研究,以提高其耐蚀性、导电性及服役稳定性,对推动铝合金双极板在PEMFC电堆中的应用至关重要。     

质子交换膜燃料电池金属双极板改性碳基涂层技术研究进展

对比了碳基涂层改性金属极板、未涂覆的金属极板和传统石墨极板性能的优劣,阐述了碳基涂层在优化金属极板导电耐蚀性能方面取得的最新成果,以及在质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs)环境长期运行后,碳基涂层出现性能失效及寿命受限等问题。通过分析影响碳基涂层性能的因素,指出由于非晶碳材料设计、微观结构等对其性能影响规律的系统化研究不足,导致非晶碳涂层/金属极板损伤及退化机理不明确。重点阐述了国内外关于PEMFCs金属极板改性碳基涂层材料技术的研究进展,包括调控本征碳基涂层(a-C)微观形貌优化涂层性能;采用理论计算与实验相结合的方法制备金属掺杂碳基涂层(a-C:Me),解决涂层与特定金属基体间粘附性差、压应力高等问题;设计多层结构碳基涂层以减少贯穿性缺陷。探讨了几类涂层失效机制,并对金属极板改性用碳基涂层技术进行了展望。     

基体偏压对PEMFC不锈钢双极板Cr-N改性涂层性能的影响

目的 提高SS316L双极板的耐腐蚀性与导电性。方法 使用脉冲直流磁控溅射技术,改变基体负偏压,于SS316L双极板上制备了Cr-N薄膜。通过扫描电子显微镜、XRD衍射仪、电子探针分析仪对薄膜的成分和结构进行了检测分析。通过接触电阻测试、电化学腐蚀测试和接触角测试表征了薄膜的导电性、耐腐蚀性和疏水性。结果 薄膜的结构主要由Cr和Cr₂N组成,各组试样的成分相近。随着沉积过程中基体负偏压的增大,薄膜结构更加致密。镀膜试样的耐腐蚀性均好于基材SS316L,基体负偏压为400 V时,测得试样的腐蚀电流密度最低,为3.49×10^-7 A/cm²。镀膜试样的导电性均好于基材SS316L,基体为负偏压200 V时,双极板的导电性最好,表面接触电阻为8.02 mΩ·cm²。基体负偏压继续增大,双极板的接触电阻会有所下降。结论 随着沉积偏压的增加,薄膜中的N含量略有增加。薄膜沉积对SS316L双极板的导电性、耐腐蚀性和疏水性有明显的提高,较于基材自腐蚀电位提升了411 mV,腐蚀电流密度下降了2个数量级。沉积时较高...     

氢燃料电池中钛双极板研究进展

钛及钛合金密度低、比强度高且在酸性环境中耐蚀性优异,在氢燃料电池双极板中具有较高的应用价值。回顾了近年来氢燃料电池用钛双极板的研究进展,详述了钛双极板表面改性技术的研究成果,包括掺杂合金元素、钛表面涂覆金属基涂层(贵金属、金属碳/氮化物等)和碳基涂层(石墨、无定型碳等)。涂层结构组织的复合化和纳米化,有利于提升钛双极板的耐蚀性、导电性和疏水性,其对于提升氢燃料电池的性能及保证其运行的稳定性和耐久性具有重要作用。     

金属双极板表面改性碳基涂层研究进展

首先对比了贵金属涂层、氮化物涂层、碳基涂层的性能优劣,重点阐述了碳基涂层改性技术的最新研究进展。然后,以碳基涂层的设计及制备2个维度为研究切入点进行阐述。在膜系设计方面,着重分析了膜系设计和元素掺杂对碳基涂层的性能影响;在制备方面,分析了偏压、沉积时间和气体流量等对碳基涂层的化学组分、微观结构的调控作用。最后,总结了当前碳基涂层改性双极板存在的问题,主要为涂层运行寿命不足,无法达到服役标准;测试条件不统一,且模拟环境与电堆实际工况差距较大;涂层长时间服役后的失效机制不明确。同时,对金属双极板改性碳基涂层的进一步发展方向做出了展望。     

质子交换膜燃料电池双极板化学镀Ni-Cu-P表面改性

针对不锈钢作为燃料电池双极板存在的接触电阻高等问题,通过化学镀Ni-Cu-P对其进行表面改性,采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)分析、界面接触电阻测试和模拟燃料电池环境腐蚀性能试验等方法,研究了表面改性对不锈钢双极板性能的影响。结果表明,经过化学镀Ni-Cu-P处理的双极板接触电阻大为降低,并且在模拟质子交换膜电池腐蚀环境下耐腐蚀性能得到较大提高。     

质子交换膜燃料电池不锈钢双极板表面Cr2AlC涂层的制备与耐蚀性能

采用直流磁控溅射技术在304不锈钢双极板表面沉积Cr₂AlC MAX相涂层。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等对涂层的形貌、微观组织进行分析;采用电化学方法研究了Cr₂AlC涂层对不锈钢在0.01 mol/L H₂SO₄溶液中耐蚀性能的影响。结果表明：涂层致密均匀,主要由Cr₂AlC MAX相组成;沉积Cr₂AlC涂层后,304不锈钢的腐蚀电流密度为2.43×10^-7A·cm^-2,下降了两个数量级;恒电位极化后,阳极和阴极的电流密度分别稳定在2.44×10^-8和2.3×10^-7A·cm^-2;在腐蚀介质中的电荷转移电阻值高于10⁵Ω·cm²,表明Cr₂AlC涂层在质子交换膜燃料电池模拟环境中具有良好的耐腐蚀性能。     

PEMFC不锈钢双极板表面改性用Cr-C薄膜的成分设计与制备

目的根据质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)不锈钢双极板的表面镀膜改性要求,探索改性薄膜成分对性能的影响规律,并提供一种行之有效的薄膜成分设计方法。方法首先应用团簇加连接原子结构模型,结合电子轨道饱和原则,理论上设计出Cr-C二元材料体系的最佳团簇式和最佳成分,再利用电弧离子镀技术在316L不锈钢双极板上制备出一系列不同成分的CrxC1-x薄膜,对薄膜的成分、结构及性能进行表征和分析。结果设计所得Cr-C材料体系的最佳团簇式为[Cr-C4]CrC3,对应的最佳原子比成分为Cr0.22C0.78。所制备的CrxC1-x薄膜的成分系数x在0.05~0.23之间变化,薄膜的导电性和耐蚀性能随着成分x的增加,呈明显增加趋势。其中Cr0.23C0.77薄膜的综合性能最好:在1.2MPa压紧力下,接触电阻为2.8 mΩ·cm^2;在模拟腐蚀环境下,腐蚀电流密度仅为9.1×10-2μA/cm^2。该性能已优于美国能源部DOE的标准指标要求。结论Cr-C改性薄膜的成分对导电性能和耐蚀性能有着重要的影响。由于实验制备的性能最佳的薄膜成分Cr0.23C0.77与基于团簇加连接原子模型设计薄膜的最佳成分Cr0.22C0.78基本相同,从而证实了依据此模型进行双极板改性薄膜成分设计是行之有效的。     

钛双极板无定型碳涂层在PEMFC不同氟离子环境中的性能

采用直流平衡磁控溅射在TA2基材表面制备了无定型碳涂层,并采用电化学和表面接触电阻测试分析了TA2基材和无定型碳涂层在质子交换膜燃料电池（PEMFC）不同F^-浓度环境中的耐腐蚀性和导电性。无定型碳涂层的耐腐蚀性和导电性均优于TA2基材,随着F^-浓度由1×10^-6 mol/L逐渐增加到1×10^-3 mol/L,TA2基材和无定型涂层的缺陷密度增加,试样耐腐蚀性均有所下降。在高F^-浓度环境中（1×10^-3 mol/L）,无定型碳涂层在0.6 V电位下的腐蚀电流密度为0.68 μA/cm²,依然能够对基材形成良好的保护。此外,TA2基材表面制备无定型碳涂层后,试样的表面导电性有所提升,其界面接触电阻值由76.40 mΩ·cm²（TA2）下降至6.52 mΩ·cm²。     

硅烷偶联剂对纯钛表面改性的研究

采用浸渍法将NaOH碱处理后的钛片浸入硅烷溶液中进行表面改性,可制备致密硅烷膜.利用SEM、FTIR、EDS、表面接触角分析仪等研究硅烷膜的表面形貌与结构特征.结果表明:不同浓度的硅烷溶液对硅烷膜的表面形貌、表面接触角以及表面基团的组成有较大影响;将钛片浸入浓度33%的硅烷水解溶液中,所制备的硅烷膜较完整,由许多呈脑浆状的小片构成,排列紧密,含有硅醇Si-OH和Si-O-Si网络结构,其表面接触角为71.8°     

质子交换膜燃料电池用6061铝合金极板表面类石墨碳涂层的导电耐蚀性能

为了获得6061铝合金极板表面类石墨碳涂层抗质子酸腐蚀的临界厚度和界面接触电阻的降低量值,采用磁控溅射方法在6061铝合金极板表面制备了一系列类石墨碳涂层。表征了类石墨碳涂层的微观结构,分析了涂层的界面接触电阻、耐蚀性和稳定性。结果表明,6061铝合金极板表面耐质子交换膜燃料电池阴极环境腐蚀的类石墨涂层临界厚度为0.97 μm。与低碳靶电流条件下制备的涂层相比,碳靶电流4.5 A时制备的涂层表面更加光滑;此时,类石墨碳涂层的界面接触电阻最小,为16 mΩ·cm²,是石墨极板接触电阻的2倍。     

氮气流量对VNbMoTaWNx薄膜作为PEMFC不锈钢双极板改性层性能的影响

目的 降低SS316L表面的接触电阻,提高耐腐蚀性能。方法 采用非平衡场磁控溅射离子镀技术在SS316L不锈钢表面制备VNbMoTaW和不同氮气流量的VNbMoTaWNx薄膜。使用场发射扫描电镜、XRD衍射仪、XPS光电子能谱仪、电化学工作站、接触电阻测试装置,研究了改性涂层的组成和结构对接触电阻和耐腐蚀性能的影响。结果 扫描电子显微镜结果表明,所有薄膜表面致密且连续、与基体结合良好。随着氮气流量的增加,氮化物相逐渐增多、柱状晶结构减少、薄膜更加致密紧凑。XRD结果表明,未通氮气的高熵合金薄膜具有高熵合金体心立方结构,并沿(110)晶面方向生长。随着氮气流量的增加,氮化物相逐渐增多,薄膜晶体结构开始从体心立方结构转变为面心立方结构。结合XPS分析结果可知,VNbMoTaWNx薄膜表面主要由金属氮化物和少量高熵合金BCC相组成,并且随着氮气流量的增加,金属氮化物相逐渐增多。与单层VNbMoTaW薄膜相比,VNbMoTaWNx薄膜具有更好的耐腐蚀性和导电性能。氮流量为12 mL/min的高熵合金氮化物薄膜具有最优异的综合性能。表面改性后的薄膜接触电阻大幅度降低,在1.4 MPa的压力下,与碳纸的接触电阻仅为12.2 mΩ.cm²,接近美国能源部(DOE)的技术目标。由动电位极化曲线测得VNbMoTaWNx-12 mL/min在模拟PEMFC阴极环境下的腐蚀电流密度为0.040 μA/cm²,与SS316L基体相比,薄膜的耐腐蚀性得到了很大提升。在0.6 V恒电位模拟阴极环境下,VNbMoTaWNx-12 mL/min的电流密度稳定在1.01 μA/cm²,接近美国能源部1 μA/cm²的目标。结论 VNbMoTaW和不同氮气流量的VNbMoTaWNx薄膜能显著提高SS316L基体的耐腐蚀性和导电性能。     

钛合金叶栅套料电解加工表面质量研究

针对TC4钛合金叶栅套料电解加工易点蚀、表面质量差的问题,开展了直流和脉冲电解加工对比研究,设计了脉冲电解加工正交试验,优化了脉冲电压、频率、占空比和加工速度等参数。试验结果表明:脉冲电解加工能减少钛合金点蚀凹坑,提高表面质量,在22 V电压、80%占空比和1000 Hz频率时,加工叶型表面完整无点蚀,加工效率高。