等离子体渗氮钛基金属双极板的制备及其性能研究

摘要

双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件之一，在燃料电池中主要起分隔氧化剂与还原剂，分隔电池堆中的每个电池和收集输送电流的作用。质子交换膜燃料电池双极板的成本与性能对推进燃料电池的产业化进程有很大影响。为了解决传统石墨双极板成本较高、不易加工的缺点，本文采用金属双极板来代替传统石墨双极板，并提出了一种采用等离子体渗氮技术对质子交换膜燃料电池钛基金属双极板表面改性的方法，从理论上分析了此方法的可行性。以此为依据在具体实验中对此方法的工艺、钛基金属双极板表面改性后的微观结构及其耐腐蚀性能和表面接触电阻进行了探索。本文以TA1工业纯钛合金为基体，运用等离子体渗氮技术对钛金属进行表面渗氮处理，对等离子体渗氮工艺进行研究，并通过0.5mol/L H2SO4+5ppm HF溶液来模拟质子交换膜燃料电池腐蚀液环境，从耐腐蚀性（动电位极化曲线扫描）及导电性（接触电阻测试）两方面来评价。通过XRD、SEM分析渗氮层的微观结构，并运用接触电阻和极化曲线的方法测试渗氮后样品的表面导电性及耐腐蚀性对等离子体渗氮工艺参数进行优选。结果表明，在优选渗氮温度为900℃、渗氮气压为400Pa、渗氮时间为4h的渗氮工艺参数后，相对于纯钛金属，等离子体渗氮钛在导电性方面明显有所改善，并基本满足PEMFC双极板在电性能方面的要求，但在耐腐蚀性方面还有待进一步提高。

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第1章 绪 论

1.1质子交换膜燃料电池的简介

1.1.1 PEMFC的发展概况

1.1.2结构与工作原理

1.1.3 PEMFC重要部件的介绍

1.2质子交换膜燃料电池双极板的功能及其要求

1.2.1腐蚀环境对双极板的影响

1.2.2双极板的种类

1.3金属双极板材料的研究进展

1.4本论文的研究内容及研究意义

1.4.1本论文的研究内容

1.4.2本论文的研究意义

第2章研究方法与实验设备

2.1等离子体渗氮及腐蚀性原理

2.1.1等离子体渗氮技术及其原理

2.1.2电化学腐蚀原理

2.2钛基金属双极板研究主要实验设备

2.2.1 LDMC-AQK型脉冲等离子体渗氮炉

2.2.2 PGSTAT电化学工作站

2.3钛基金属双极板的性能测试

2.3.1双极板导电性测试

2.3.2双极板电化学腐蚀测试

第3章实验结果与讨论

3.1样品制备过程

3.1.1实验流程

3.1.2等离子体渗氮前处理过程

3.1.3等离子体渗氮过程

3.2渗氮温度对渗层微观结构及性能的影响

3.3渗氮气压对渗层微观结构及性能的影响

3.4渗氮时间对渗层微观结构及性能的影响

3.5钛基双极板等离子体渗氮表面改性对比实验

第4章 结 论

参考文献

致 谢