質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)被認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)的替代品。將氫氧反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如低排放、低操作溫度和相對(duì)高的能量效率。PEMFCs的缺點(diǎn)是電池結(jié)構(gòu)的體積和重量大，主要是由于雙極板。此外，膜、催化劑和雙極板的成本使得該技術(shù)過(guò)于昂貴而無(wú)法廣泛使用。必須降低體積、重量和采購(gòu)成本等參數(shù)，尤其是汽車(chē)行業(yè)。
質(zhì)子交換膜燃料電池由雙極板(BP)和膜電子組件(MEA)組成，其中包括氣體擴(kuò)散層(GDL)、催化劑、膜和密封。雙極板必須滿足許多要求，良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、疏水性等。這種多功能性很難實(shí)現(xiàn)。
大部分BP由石墨制成，少部分由石墨-聚合物復(fù)合材料制成。石墨在化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性方面表現(xiàn)優(yōu)異，但其機(jī)械性能較差。石墨雙極板沉重、體積大、易碎，制造過(guò)程困難且昂貴。作為石墨的潛在替代品，金屬雙極板似乎很有前途。至于金屬，主要考慮的是不銹鋼、鈦、鎳、銅、鋁及其合金。
雙極板的新材料應(yīng)滿足美國(guó)能源部(DOE)表1 給出的參數(shù)，DOE還定義了測(cè)量參數(shù)。不銹鋼似乎最有前途，尤其是在便攜式和汽車(chē)應(yīng)用方面。它具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、不透氣性、優(yōu)異的機(jī)械性能和成型性。
不幸的是，在燃料電池環(huán)境中的耐腐蝕性是不銹鋼的主要問(wèn)題。PEMFC的工作條件約為80°C、高濕度和酸性(pH 2-3)。不銹鋼的腐蝕會(huì)釋放離子，阻礙膜的交換能力，降低燃料電池的性能。金屬雙極板的另一個(gè)問(wèn)題是界面接觸電阻(ICR)，這在大多數(shù)情況下不利于耐腐蝕性。不銹鋼越耐腐蝕，ICR就越大。
ICR與被動(dòng)層緊密相連。鈍化層的厚度和化學(xué)成分顯著影響ICR。根據(jù)這些參數(shù)，裸不銹鋼似乎不夠。然而，不銹鋼上適當(dāng)?shù)耐繉涌梢越鉀Q這個(gè)問(wèn)題。涂層可通過(guò)鉭蒸表面合金技術(shù)制備。耐腐蝕性和ICR取決于涂層質(zhì)量，這也與鋼的表面條件相對(duì)應(yīng)。涂層提高了PEMFC環(huán)境中的耐腐蝕性并降低了ICR。
對(duì)于這項(xiàng)工作，選擇不銹鋼AISI 316L作為參考材料，并在該鋼上制備兩種類(lèi)型的涂層進(jìn)行比較。第一層是純鉭，第二層是鉭，上層是Ta2O5和RuO2。兩種涂層都是通過(guò)鉭蒸表面合金技術(shù)制備。涂層厚度為20–50 μm。樣品為30 mm x 50 mm的薄片。裸316L在測(cè)量前通過(guò)砂紙P1200進(jìn)行處理，用水、乙醇沖洗并干燥。僅洗滌和干燥涂覆的樣品。
為每組測(cè)量準(zhǔn)備模擬PEMFC環(huán)境的新鮮溶液。通過(guò)將1ml 0.01%氫氟酸和蒸餾水混合至1 l來(lái)制備溶液。然后通過(guò)使用1mol l-1硫酸將溶液的pH值調(diào)節(jié)至3。
測(cè)量在腐蝕電池中進(jìn)行，樣品橫向沉積。使用恒溫器將溶液加熱至80℃。以飽和氯化銀為參比電極，鉑絲為對(duì)電極，樣品為工作電極，建立了三電極排列的實(shí)驗(yàn)。這種布置用于所有的電化學(xué)測(cè)量、開(kāi)路電位、極化電阻、陰極和陽(yáng)極極化。實(shí)驗(yàn)重復(fù)至少兩次，以消除誤差并確保實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。
然后在Thales XT分析中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。模擬PEMFC環(huán)境的溶液僅在一系列測(cè)量中使用一次，包括開(kāi)路電位、極化電阻和動(dòng)態(tài)掃描(陰極或陽(yáng)極)。測(cè)量開(kāi)路電位3600秒，隨后立即測(cè)量極化電阻，范圍為-25mVvs。OCP+25mVvs。OCP，掃描率為0.1mV-1。陰極動(dòng)態(tài)掃描設(shè)置范圍從+100mv到。OCP到-2v與。ACLE，陽(yáng)極部分的范圍從-100mvvs。OCP到+2Vvs。陰極動(dòng)態(tài)掃描設(shè)置范圍從+100mV對(duì)OCP至-2 V對(duì)ACLE，陽(yáng)極部分范圍從-100 mV對(duì)OCP至+2V對(duì)ACLE，掃描速率5mVs-1。在所有測(cè)量過(guò)程中，使用氮?dú)鈱?duì)溶液進(jìn)行脫氣。
在實(shí)驗(yàn)之前，通過(guò)SEM (Tescan Vega 3)拍攝兩種涂層的金相橫截面。圖1顯示了不同的厚度，裸露的鉭涂層具有40-50微米，具有氧化物上層的鉭大約20-25微米。兩層都是均勻無(wú)缺陷的，盡管裸露的鉭表面更粗糙。
圖1.涂層橫截面，鉭(左)和鉭與Ta2O5和RuO2上層(右)。
在模擬PEMFC溶液中進(jìn)行電化學(xué)測(cè)量后，使用Thales XT分析評(píng)估腐蝕指標(biāo)。 圖2顯示了極化的陽(yáng)極部分，裸鋼在鈍化狀態(tài)下腐蝕，與涂鉭鋼相同。 具有氧化物上層的鉭涂層的曲線不反映涂層的腐蝕反應(yīng)，而是溶液的化學(xué)反應(yīng)。 陰極部分(圖3)顯示殘余氧和氫去極化減少。 擬合曲線，所有數(shù)據(jù)總結(jié)在表3中。
圖2.稀H2SO4 (pH 3，1 ppm HF，80°C，N2脫氣)范圍內(nèi)的陽(yáng)極極化掃描速率為5mV s-1時(shí)，相對(duì)于OCP為-100 mV，相對(duì)于ACLE為+2 V。
圖3.稀釋H2SO4 (pH 3，1 ppm HF，80°C，N2脫氣)范圍內(nèi)的陰極極化掃描速率為5mV s-1時(shí)，相對(duì)于OCP為-100 mV，相對(duì)于ACLE為+2 V。
比較316L和涂有鉭的316L，涂層改善了腐蝕參數(shù)。較高的極化電阻和較低的腐蝕電流密度導(dǎo)致較低的腐蝕速率。陽(yáng)極Tafel斜率也表明鉭涂層具有更好的鈍化性能。從0.5到2 V相對(duì)于ACLE的曲線部分(圖2)表示非導(dǎo)電層。
表3 .316 l和鉭基涂層的電化學(xué)參數(shù)。
這項(xiàng)研究比較了不銹鋼316L和兩種鉭基涂層，裸鉭和鉭氧化物上層在模擬PEMFC環(huán)境。模擬溶液是80°c時(shí)pH值為3、含1 ppm氟離子的稀硫酸。鉭涂層似乎不適合用于燃料電池，它耐腐蝕，但其鈍化層不導(dǎo)電。具有氧化物上層的鉭涂層是令人感興趣的，由于導(dǎo)電、耐腐蝕的RuO2，電解質(zhì)、氧和氫的高電化學(xué)活性是預(yù)期的。
來(lái)源： 鉭鈮新技術(shù)服務(wù)與應(yīng)用
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