质子交换膜燃料电池钛合金双极板材料成分优化与设计

摘要

随着社会经济的发展，能源问题逐渐被各国所重视。由于石油、煤炭等传统的化石资源过度开发和使用，导致了能源的枯竭和环境的恶化。因此，开发无污染、可再生的新型能源已经成为了当下的研究热点。燃料电池是把化学能直接连续转化为电能的高效、环保的发电系统，是继水电、火电和核电之后第四种发电装置。其中，质子交换膜燃料电池有着寿命长、比功率和比能量高、室温下启动速度快等优点，在军事、交通以及便携式能源等领域有着广泛的应用前景，被认为是适应未来能源与环境要求的理想动力源之一。 双极板是质子交换膜燃料电池核心部件之一，占据了电池组很大一部分的质量和成本，且其具有均匀分配反应气体、传导电流、串联各单电池等功能。为了满足这些功能，理想的双极板应具有高的导热\电率、耐蚀性、低密度、良好的力学性能，以及低成本、易加工等特点。但目前生产的双极板存在耐蚀性和导电性匹配性差、生产成本高和寿命短等问题。如何实现双极板材料的导电性和耐蚀性的合理匹配，即在保证导电性合理的前提下，实现高的耐蚀性，保障整个体系的服役寿命是燃料电池商业化的关键。 常见双极板材料，如金属、石墨和复合材料，在质子交换膜燃料电池环境中无法同时兼顾高强、导电、耐蚀、阻气和低成本等要求，因此不能作为双极板材料直接使用。其中，纯Ti具有较为优异的综合性能，但其表面往往容易形成导电性差的TiO2氧化膜，阻碍了其商用化应用。研究表明，在纯Ti中加入一定含量的Nb/Ta合金化元素可以提高钝化膜的导电性，但同时会对其耐蚀性产生一定的影响。 本文以“团簇+连接原子”模型为指导，通过电弧熔炼技术制备了一系列二元及三元Na/Ta添加的纯Ti合金，探究了合金的性能随添加Nb/Ta元素含量的变化规律。结论如下： 在二元合金体系中，纯Ti中加入Nb/Ta合金元素后，其耐蚀性受合金化元素和组织两方面的影响。当合金为单相组织时，合金的耐蚀性与合金化元素密切相关，即，随着Nb/Ta合金化元素的添加，合金在电池环境中的耐蚀性能提高。但是，当设计合金为多相组织时，其耐蚀性能受合金化元素和组织共同的影响，即使合金化元素可以在一定程度上提高纯Ti的抗腐蚀性能，但是在服役条件下，受电池环境与加载电压、电流对合金的影响，多相合金中相与相之间形成微电池，严重影响合金的耐蚀性，使得材料的耐蚀性下降。并且随着时间的延长，纯Ti钝化膜的厚度逐渐增加，然而，当纯Ti中加入合金元素Nb/Ta后，合金的钝化膜的厚度明显降低，这说明Nb/Ta合金元素的添加能有效抑制合金钝化膜厚度的增加。在纯Ti中加入合金元素Nb/Ta后，其接触电阻随着Nb/Ta含量的增加而逐渐下降。混合等量添加的三元合金与二元合金有相似的变化趋势，但三元合金的综合性能较二元合金较差。并且纯Ti中加入合金元素Nb和Ta，其合金的性能变化趋势相似，但综合而言，合金元素Ta的加入使得纯Ti具有更优异的综合性能。合金元素Ta在α-Ti中的溶解度有限，析出的第二相对合金的耐蚀性影响较大，因此，若要保证合金耐蚀性，其合金元素Ta的添加量应小于3.125at.%。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1 燃料电池

1.1.1 燃料电池的工作原理

1.1.2 燃料电池的分类

1.2 质子交换膜燃料电池的优点

1.3 质子交换膜燃料电池组成及工作原理

1.3.1 质子交换膜燃料电池的组成

1.3.2 质子交换膜燃料电池的工作原理

1.4 质子交换膜燃料电池双极板

1.5 双极板的分类及研究进展

1.5.1 金属双极板材料

1.5.2 金属双极板基体材料

1.5.3 金属双极板涂层材料

1.5.4 石墨双极板材料

1.5.5 复合双极板材料

1.6 添加对纯Ti中钝化膜导电机理的影响

1.7 团簇+连接原子模型

1.8 论文工作的目的及重要研究内容

2 实验方法与实验设备

2.1 样品制备与实验方法

2.2 样品组织与相测试方法

2.2.1 X射线衍射分析

2.2.2 显微组织分析

2.3 双极板性能测试方法

2.3.1 显微硬度

2.3.2 润湿性测试

2.3.3 电化学测试

2.3.4 接触电阻测试

3 钛合金中添加Nb/Ta元素对合金性能的影响

3.1 合金设计

3.2 组织表征

3.3 相组成

3.4 硬度

3.5 水接触角

3.6 耐蚀性能表征

3.6.1 开路电位

3.6.2 循环伏安曲线

3.6.3 极化曲线

3.6.4 阻抗谱

3.7 接触电阻

3.8 本章小结

4 钛合金中同时添加Nb+Ta元素对合金性能的影响

4.1 材料设计

4.1 组织表征

4.2 相组成

4.3 硬度

4.4 水接触角

4.5 耐蚀性能表征

4.5.1 开路电位

4.5.2 循环伏安曲线

4.5.3 极化曲线

4.5.4 阻抗谱

4.6 接触电阻

4.7 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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