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双极板防护涂层研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为第4代发电技术,具有结构紧凑、体积小、能量密度高、效率高、启动快、低温运行以及零排放的绝对优势,被认为是现阶段理想的清洁能源之一,是未来新能源汽车理想的供能部件,受到各国学者的广泛关注。双极板作为PEMFC重要的组成部件之一,不仅能够将单电池串联、并联或是混合联结形成电池堆,起到支撑作用,还能够隔绝阴极、阳极的反应气体,排出电池堆反应产生的热量和水,对PEMFC电池堆的性能至关重要。合适的双极板材料要具有优异的导电性和耐腐蚀性,已成为PEMFC研究领域的一个热点。简述了PEMFC的工作原理以及近年来石墨双极板、金属双极板以及复合双极板的研究情况,指出了PEMFC在工作条件下对金属双极板的性能要求及改性难题。着重对不锈钢双极板的表面涂层改性进行了研究,列举了碳基涂层、金属及其化合物涂层、导电高分子聚合物涂层、疏水涂层等一系列涂层的研究进展和性能,分析对比了它们在PEMFC双极板表面改性中的优缺点。分析结果表明,过渡金属碳、氮化物以及碳/陶瓷复合涂层具有良好的导电性和耐蚀性且成本较低,是当前以及未来的研究热点,同时如何增强涂层与基体的结合力,也是今后双极...     

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金属双极板材料研究进展

双极板在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中具有隔离反应介质、收集电流、提供气体通道的作用，金属材料用于双极板面临腐蚀及表面层钝化影响电池性能等问题．在介绍了研究金属双极板性能的方法，包括接触电阻测试、电池极化性能测试、模拟电化学方法等测试方法的同时，着重介绍了在双极板中应用的不同种类铁基金属材料、轻金属材料的性能及各种表面涂层技术的研究进展．简单介绍了PEMFC中，金属双极板材料研究所应重点解决的技术问题．     

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...     

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...     

燃料电池双极板制备工艺及其热压机设计研究

燃料电池是最有前景的电源储备方式之一,双极板是燃料电池中重要组成部分。由于燃料电池的双极板种类繁多,其生产制备工艺和专用热压机装备研发一直是制约燃料电池发展的难点问题,本文在现有双极板制备工艺等对压机要求的基础上,提出双极板热压机的功能要求、设计要求、结构特点和模具设计要求,为双极板压机的设计生产提供参考依据。     

硅烷流量对钛合金双极板表面改性碳膜性能的影响

目的通过对钛合金基底进行表面改性,提高其作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)金属双极板的耐蚀导电性能。方法通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD),调控不同的Si H4流量(0～10 mL/min),在钛基底表面制备了含硅非晶碳膜。利用电化学工作站、界面接触电阻测量仪、水接触角测量仪、纳米压痕仪,分别测试了薄膜的耐蚀性、导电性、疏水性和力学性能。通过拉曼光谱分析了腐蚀前后薄膜内部杂化比变化,并结合扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜研究了薄膜厚度、腐蚀形貌和内部结构。结果 SiH4流量为8m L/min时,制备的含硅非晶碳膜具有最佳耐蚀性和导电性,该含硅非晶碳膜水接触角为102.91°,硬度为9.28 GPa,弹性模量为60.34 GPa,厚度为2.822μm。其动电位腐蚀电流密度为0.017μA/cm2,相比钛基底提升3个数量级(80.51μA/cm~2),在1.4 MPa压力下,其界面接触电阻为47.06 mΩ·cm~2。结论硅的引入诱导非晶碳膜生成类石墨烯结构,提高了非晶碳膜的导电性能和耐蚀性能,提升了薄膜的力学性能及疏水性。用含硅非晶碳膜对钛双极板进行表面改性,有望显著提高极板的燃料电池性能。     

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。     

质子交换膜燃料电池双极板的研究现状及展望

质子交换膜燃料电池（PEMFC）除具有燃料电池的一般特点（如能量转化率高、环境友好等）外,同时具有可在室温快速启动、寿命长、比功率和比能量高等特点,已成为世界各国研究热点之一。双极板是PEMFC的关键部件,对其体积、重量、性能等都具有重要影响。目前,国内外有关双极板的研究主要集中在材料和流场设计方面,尤以材料设计为研究重点。本文重点阐述了国内外双极板材料和流场的研究近况,对比分析了不同材料和流场双极板的优缺点,对其应用及发展前景进行了展望。     

质子交换膜燃料电池用不锈钢双极板的腐蚀与表面改性研究进展

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心组件之一,占电池组重量和成本的大部分。不锈钢由于具有强度高、导电、传热性好以及耐腐蚀等优点,因此被作为双极板材料。然而,在PEMF℃环境下,不锈钢会发生腐蚀并且表面会产生高电阻钝化膜,从而降低电池性能。为此,国内外研究者对不锈钢双极板的腐蚀与表面处理展开了广泛的研究,本文对此进行了详细阐述。     

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。     

质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的腐蚀行为及其表面防护的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为一种环境友好型电池装置,在倡导人与自然和谐相处的现代社会日渐受到重视.双极板是PEMFCs的重要组成之一,其性能的好坏与PEMFCs的发展密切相关.不锈钢双极板虽具有优异的导电性和强度,但在PEMFCs的严苛工作环境下,仍面临着腐蚀与钝化等问题.近年来,国内外的研究者为解决不锈钢双...