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《大连海事大学》 2007年
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表面改性铁基合金的电化学性能研究

王剑莉  
【摘要】: 质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是一种清洁的能源转换装置,它可以将燃料(氢气)和氧化剂(氧气或空气)的化学能直接转换成电能。由于其低的操作温度,高的电流密度,能够快速启动等优点,可用于汽车中作为动力。双极板是PEMFC中的重要的多功能组件,对电池堆的体积、重量以及成本有很大的影响。传统的石墨双极板由于其居高不下的成本,正逐渐被价格低廉、可靠性高的金属双极板所替代。不锈钢材料是目前国际上普遍应用的替代石墨双极板的金属材料。但不足的耐蚀性能和表面高电阻的钝化膜都会影响其作为PEMFC双极板的应用。本文研究了304不锈钢及其经过不同表面改性工艺后作为双极板材料的可行性。 本文对304不锈钢进行了镀铬处理,研究了镀铬后的304不锈钢在模拟PEMFC环境中的电化学行为及表面接触电阻。结果表明,镀铬层与不锈钢基体结合良好,镀铬的304不锈钢在模拟PEMFC阴极和阳极环境中都具有比基体更低的钝化电流密度;在模拟电池环境中生成的表面钝化膜的接触电阻偏高。 为了降低钝化膜接触电阻,在镀铬基础上采用不同的氮化温度对不锈钢进行了等离子氮化处理,表面生成了主要成分为氮化铬的表面改性层。随着氮化温度的升高,改性层中的CrN含量逐渐增加。电化学测试结果表明,等离子氮化处理后的样品的耐腐蚀性能均优于基体和镀铬不锈钢,耐腐蚀性能得到了提高;XPS分析结果表明,镀铬离子氮化复合工艺改性的不锈钢在模拟PEMFC环境中生成的钝化膜的主要成分中有一定量的氮化铬存在,提高了表面钝化膜的导电性能。在对应于PEMFC阴极和阳极电位极化后,表面钝化膜的接触电阻略有增加。 为了增加不锈钢表面铬含量,提出真空扩散增Cr的工艺方法,在不锈钢表面生成了一层高Cr、低Fe并含有少量Ni的合金层。该合金层在70℃的通入H_2/空气(O_2)的0.05mol/L H2SO_4+2mg/L F~-溶液中的钝化电流密度低于10μAcm~(-2);在压力为150Ncm~(-2)时,与碳纸的接触电阻低于55mΩcm~2。 同时,利用低温等离子氮化方法在不锈钢表面生成γN相层,这种具有面心立方结构的氮过饱和固溶体在模拟PEMFC环境中具有不低于基体的耐均匀腐蚀性能和相对较低的表面导电性。 本文利用XRD,SEM,EDX,AFM和XPS等测试技术对不同改性方法得到的表面层进行了分析,得出了表面层成分和形貌等信息。从XPS分析结果能够得到钝化膜的基本数据,从而深入的分析了不同的表面改性方法表面导电性差异的原因。
【学位授予单位】:大连海事大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TM911.4

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
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2 黄俊;双辉等离子表面冶金Ni-Cr耐蚀钢板若干应用基础问题的研究[D];南京航空航天大学;2011年
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2 朱凤强;PEM燃料电池不锈钢双极板的表面改性研究[D];大连海事大学;2010年
3 蒋开宇;不锈钢表面渗钨改性研究[D];大连海事大学;2013年
【参考文献】
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【共引文献】
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10 路学成;阎殿然;杨勇;何继宁;董艳春;;等离子喷涂纳米Al_2O_3-13%TiO_2涂层热学特性研究[J];兵器材料科学与工程;2011年03期
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4 吴志勇;李雪源;赵黎宁;杨文茂;;钛合金与铝合金及铝合金转化膜的电偶腐蚀研究[A];第九届全国转化膜及表面精饰学术年会论文集[C];2012年
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6 刘洋洋;高志明;王震;;阴极保护对Q235钢空泡腐蚀行为影响的研究[A];中国腐蚀电化学及测试方法专业委员会2012学术年会论文集[C];2012年
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10 杨潇薇;杨培霞;张锦秋;安茂忠;;无氰电镀银工艺及机理研究[A];2010中国·重庆第七届表面工程技术学术论坛暨展览会论文集[C];2010年
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2 王洪芬;涉海抗菌耐蚀性TiO_2复合薄膜的制备及其性能研究[D];中国海洋大学;2010年
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10 于洁;固体氧化物燃料电池钙钛矿型复合氧化物阴极材料的研究[D];昆明理工大学;2009年
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1 庞宇;纳米TiO_2的表面改性及其对聚氨酯涂层耐蚀性能的影响[D];南昌航空大学;2010年
2 徐珊;奥氏体不锈钢点蚀行为的研究[D];南昌航空大学;2010年
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4 梁静;钛合金精密腐蚀加工工艺及机理研究[D];南昌航空大学;2010年
5 黄国雅;电沉积法制备ZnSe薄膜[D];长春理工大学;2010年
6 李高飞;数控选区电沉积快速成型的成型质量研究[D];浙江理工大学;2010年
7 陈里龙;金属电化学快速线切割技术研究[D];浙江理工大学;2010年
8 任振伟;高压扭转工艺对生物镁锌钙合金组织及性能的影响[D];郑州大学;2010年
9 刘健光;腐蚀环境下ICMS传感器耐久性体系研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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【同被引文献】
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3 赵永亮;等离子体/离子复合注入不锈钢表面改性研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
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9 朱凤强;PEM燃料电池不锈钢双极板的表面改性研究[D];大连海事大学;2010年
【二级引证文献】
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【二级参考文献】
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10 邹彦文;孙斌;张杰;贺俊;吴兵;;PEMFC复合材料双极板透气性能的研究[J];电池;2006年03期
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8 黄明宇;倪红军;朱昱;李飞;骆兵;;中间相碳微球/石墨材料燃料电池双极板的研究[A];第七届全国氢能学术会议专辑[C];2006年
9 徐冬清;范永生;刘平;王保国;;全钒液流电池导电双极板材料研究[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年
10 张志然;沈春晖;潘牧;袁润章;;石墨与高铝水泥基复合材料双极板的性能研究[A];第七届全国氢能学术会议论文集[C];2006年
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5 大连新源动力股份有限公司 傅云峰;燃料电池与石墨材料工业[N];中国建材报;2004年
6 通讯员 王若英;燃料电池发电技术获重大突破[N];中国电力报;2008年
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7 杨涛;自增湿质子交换膜燃料电池研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
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3 乔运乾;基于树叶形态的PEMFC双极板结构设计与优化[D];武汉理工大学;2011年
4 公培旗;复合材料双极板的研究[D];西北工业大学;2001年
5 杨承波;双极板材料非晶合金的晶化与强磁场改性[D];大连理工大学;2006年
6 马小杰;质子交换膜燃料电池用石墨复合板的研究[D];浙江大学;2006年
7 徐靖;质子交换膜燃料电池金属双极板表面改性研究[D];大连海事大学;2007年
8 李映辉;热处理改性不锈钢用作质子交换膜燃料电池双极板[D];大连交通大学;2005年
9 王科;质子交换膜燃料电池双极板流场的研究[D];南京航空航天大学;2007年
10 黄韬;小型直接甲醇燃料电池双极板的研发[D];西安科技大学;2009年
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