质子交换膜燃料电池金属双极板材料的腐蚀行为研究

【摘要】： 质子交换膜燃料电池(PEMFC)双极板主要起到分布并分隔阴、阳极气体和集流导电作用。金属双极板因具有良好的机械加工性能而受到了广泛关注,但金属双极板在PEMFC的弱酸性工作介质和阴、阳极气体环境下会受到腐蚀。因此,澄清金属双极板材料的腐蚀机理和特征,并提高其耐蚀性能,对推动PEMFC的发展和工业化应用具有十分重要的实际意义。本论文应用电化学阻抗谱(EIS)、极化曲线等电化学测量技术和扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等表面分析方法,研究了常用不锈钢等金属材料在模拟PEMFC环境中的腐蚀行为,并探索了表面处理技术对不锈钢耐蚀性的增强作用。 考虑到PEMFC环境介质的电导率较低,研究了参比电极体系内阻和介质电导率对EIS的影响。实验发现,参比电极体系内阻较大将导致EIS高频端产生容抗性相移。 研究了316不锈钢在分别含F-和SO42-离子的电池模拟环境中的腐蚀行为。在阴极气体(氧气)环境中:腐蚀电位下316在含0~0.1M F-的0.01M HCl介质中能形成含F-钝化膜。低浓度的F-(0.01M)对316钝化性能的影响很小。F-浓度为0.1M时,发现316在点蚀电位以前存在一个阳极电流峰,使其钝化性能降低,并提出了相应的F-离子反应机理。316在含0~0.1M SO42-稀盐酸中的钝化性能良好,腐蚀电位下能形成保护性钝化膜,且膜会随腐蚀进行而增厚和致密化。在阳极气体(氢气)环境中:腐蚀电位下316在0.01M HCl介质中处于活化腐蚀状态,并据EIS特征建立了腐蚀的等效电路模型。腐蚀阴极反应产生的吸附氢能进入316并降低腐蚀反应阻力。SO42-对316的均匀腐蚀有抑制作用。 评定了不同金属材料在模拟电池介质(0.01M HCl + 0.01M Na2SO4)中的耐蚀性。316,316Ti,304,1Cr18Ni9Ti,310,904和SAF2205不锈钢在氧气环境中均能自钝化,其中316和904的钝化性能较好、点蚀电位大于650mVSCE。这些材料在氢气环境中均不能自钝化,但活化电位区很窄;304,316和1Cr18Ni9Ti等在电池阳极工作电位下能钝化。Ti的耐蚀性良好,而Ni和A3钢的耐蚀性较差。 探索了表面处理对不锈钢在模拟电池环境中的耐蚀性能的影响。304不锈钢经电化学处理后在模拟电池环境中的耐蚀性有很大提高,能在电池工作电位范围内处于稳定钝态。TiN涂层能大幅度地增强316不锈钢在模拟电池环境中的耐蚀性。可用TiN涂层对316双极板进行表面处理,以提高其耐蚀性和导电性。