用于PEMFC的Fe-Cr-Ni合金和304不锈钢双极板的表面复合处理

摘要

双极板是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的关键部件之一，占据电池质量的60~80％，电池成本的45％，主要起到分布并分隔阴、阳极气体，集流导电和支撑膜电极的作用。金属材料因其具有较好的导电、导热性，良好的机械加工性和较低的成本，是双极板商业化生产的最佳候选材料。但金属双极板表面的耐腐蚀性和导电性无法满足PEMFC苛刻的工作环境，因此需要对其进行表面改性处理。在金属板表面沉积一层耐腐蚀性和导电性良好的薄膜，是提高表面耐腐蚀性和导电性的有效途径。但由于膜层缺陷，膜基结合力差，易脱落，处理成本高，阻碍了其在金属双极板上的大规模应用。本文通过表面改性处理，在金属基体表面原位生成具有良好耐腐蚀性和导电性的膜层。
　　在对课题组前期Fe-Cr-Ni合金的酸处理-热处理-电化学处理（process（a-b-c））的研究基础上，本文对其中热处理过程进行优化。得出在O2气氛，250℃，保温2小时热处理后，Fe-Cr-Ni合金试样电化学处理后具有更好的耐腐蚀性和导电性，其自腐蚀电位为26.83mV，腐蚀电流密度为3×10-8A·cm-2，在240N·cm-2压力下，接触电阻为9.4mΩ·cm2。通过XPS，AES，EPMA和FESEM对试样进行表面化学成分和形貌分析，发现经过process（a-b-c）处理后的Fe-Cr-Ni合金试样表面原位生成一层复合膜，组成为：Cr2O3，游离 C，单质Ni和Cr7C3。并用process（a-b-c）处理后Fe-Cr-Ni合金双极板组装单电池测试，其最大输出功率密度约为0.8W·cm-2，展示了良好的性能。
　　为了进一步降低成本，本文对商用SS304试样分别进行酸处理（process（a）），酸处理-热处理（process（a-b）），酸处理-热处理-电化学处理（process（a-b-c））的表面处理工艺。得出在process（a-b-c）处理后SS304试样，具有最好的耐腐性和导电性，其自腐蚀电位为10.12mV，腐蚀电流密度为3×10-7A·cm-2，在240N·cm-2压力下，其接触电阻为10.11mΩ·cm2。通过XPS，AES，EPMA和 FESEM对试样进行表面化学成分和形貌分析，经过 process（a-b-c）处理后的SS304试样表面原位生长出一层均匀、致密的含有Cr2O3和游离C的复合膜层，试样表面兼具良好的耐腐性和导电性。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 燃料电池概述

1.3 质子交换膜燃料电池

1.4 质子交换膜燃料电池双极板

1.5 本文的研究思路和主要内容

第2章 实验与测试

2.1 实验原料

2.2 实验设备

2.3 测试原理与方法

第3章 Fe-Cr-Ni合金的表面复合处理

3.1 课题组前期工作介绍

3.2 Fe-Cr-Ni合金表面复合处理工艺的优化

3.3 表面化学成分和形貌分析

3.4 单电池性能测试

3.5 本章小结

第4章 304不锈钢的表面复合处理

4.1 304不锈钢的表面复合处理工艺与性能

4.2 表面化学成分和形貌分析

4.3 二种材料体系的比较

4.4 本章小结

第5章 结 论

参考文献

致谢