PEM燃料电池用金属双极板及其涂层的研究进展

质子交换膜(PEM)燃料电池的金属双极板在成本和加工成形方面具有优势,但是其易腐蚀的特点也影响了燃料电池的导电性和耐久性。该文从金属双极板及其涂层导电性和耐久性出发,系统总结了相关研究进展。首先根据燃料电池的市场需求,分析了应用金属双极板的优势;对金属双极板及其涂层导电性和耐久性的典型测试方法进行了讨论,并对近期文献中出现的多种涂层进行了评价,发现除合金涂层外大部分涂层能满足美国能源部2020目标;分析了影响金属双极板及其涂层导电性和耐久性的工作环境和工作状况;最后,从测试方法、涂层研究和影响因素3个方面展望了未来的研究方向。该文综述了金属双极板及其涂层的研究进展,对将其更有效、更持久地应用于燃料电池电堆中具有重要意义。     

循环伏安法合成导电聚苯胺导电性及热稳定性

聚苯胺近年来在金属防腐领域备受关注,在质子交换膜燃料电池(PEMFC)不锈钢双极板表面电化学沉积聚苯胺薄膜,能够进一步提高双极板的耐腐蚀性能,有望替代传统的石墨双极板在PEMFC中得到应用。电池工作条件下要求双极板具有导电性,工作温度在70~100℃,因此研究聚苯胺薄膜的导电性和热稳定性十分必要。采用循环伏安法,在0.2mol/L H_2SO_4和0.1mol/L苯胺组成的水溶液体系中,在316L不锈钢表面制备了聚苯胺(PANI)薄膜;采用红外光谱研究PANI薄膜的化学结构;采用四探针技术测量PANI的电导率;采用热重分析技术研究了PANI的热稳定性;采用扫描电镜观察表面形貌。结果表明:聚苯胺薄膜的电导率最大值达到8.96S/cm,分解温度为352.7℃,表面呈现纤维状簇集状态,颗粒分布比较均匀。     

增强金属基双极板导电和耐腐蚀性能的石墨烯基涂层的研究进展

应用于金属基双极板的石墨烯基涂层引起人们广泛的兴趣。综述了目前金属基双极板面临的问题,总结了已经报道的关于制备石墨烯基涂层的方法（化学气相沉积法、电沉积法、喷涂法、自组装方法）以及这些方法的优缺点。石墨烯优良的阻隔性能可以充当金属基双极板的钝化膜,对石墨烯进行改性或者对金属基双极板进行表面处理可以有效地改善石墨烯涂层与金属基双极板的相容性。导电聚合物可以有效地改善石墨烯涂层与金属基之相容性,并且能够填补石墨烯片层间的缝隙,提高涂层的致密度。导电聚合物能够以石墨烯为模板进行生长,降低涂层的表面粗糙度。最后提出对石墨烯改性以增强其与金属基双极板的相容性,以及发挥其与导电聚合物协同效应是未来的研究方向之一。     

奥氏体不锈钢双极板的低温超饱和气体渗碳表面改性

通过低温超饱和气体渗碳(LTCSGC)处理,在316L不锈钢双极板表面形成了一层厚度约30μm的渗碳层,研究了从基体沿渗碳层深度方向的碳的质量分数、残余应力、硬度分布和相结构,测量了渗碳后316L不锈钢双极板的接触电阻,分析了渗碳后316L不锈钢双极板在模拟质子交换膜燃料电池(PEMFC)环境中的耐腐蚀性能.结果表明:渗碳层是由膨胀奥氏体相组成的梯度材料,从渗碳层表面到基体的碳的质量分数、残余应力和硬度逐渐降低;经过LTCSGC处理后,316L不锈钢双极板的接触电阻降低了34%;在模拟PEMFC的阳极环境中,其自腐蚀电位升到-79 mV,高于工作电位-0.1 V,获得了阴极保护;在模拟PEMFC的阴极环境中,其自腐蚀电位提高了260 mV,抗腐蚀性能显著提高,恒电位极化腐蚀电流密度降低了75%.     

细鳞片膨胀石墨在燃料电池中的应用分析

本文简述了质子交换膜燃料电池双极板的基本概念,分析了细鳞片膨胀石墨在质子交换膜燃料电池中应用的优缺点。指出细鳞片膨胀石墨优点是比表面积大、密度均匀、复合性能好,不足之处在于纯度不够高,在回弹性、导电性方面不如大鳞片膨胀石墨。指出细鳞片膨胀石墨在质子交换膜燃料电池中的应用发展方向在于复合双极板。     

质子交换膜燃料电池双极板用金属改性的研究

通过脉冲偏压电弧离子镀工艺,在316L不锈钢表面上沉积出致密的Cr的氮化物梯度薄膜(CrxN).表面改性后的不锈钢双极板界面导电性能良好,在质子交换膜燃料电池电堆的组装力范围内,与Toray碳纸的接触电阻为7.9～11.2 mQ·cm2.双极板的耐腐蚀性能相对于未处理的316L不锈铜基体有了显著的增强:在0.5 mol/L H2SO4 5×10-6mol/L F-的模拟电池环境腐蚀溶液中,室温下改性后双极板的腐蚀电流约为10-7 A/cm2,比基体的小了2个数量级;70℃时在相同的腐蚀环境下,虽然腐蚀电流有所增大,但仍然比不锈钢基体的腐蚀电流小1～2个数量级.改性双极板有很高的表面能,与水的接触角达90°,这有利于电池内部液态水的排出.通过表面改性获得的具有耐蚀-导电-憎水综合性能的金属双极板材料,在质子交换膜燃料电池中有很大的应用潜力.     

导电聚苯胺膜在模拟PEMFC环境下的腐蚀性能

在由0.5mol/L H2SO4和0.5mol/L苯胺组成的溶液体系中,采用恒电位方法在316L不锈钢双极板表面电化学合成了导电聚苯胺(PANI)薄膜。用红外光谱技术研究了聚苯胺膜的化学键和状态,用扫描电子显微镜观察了聚苯胺膜的表面形貌。以1mol/L H2SO4及2ppM NaF的混合溶液作为模拟质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作条件下的腐蚀介质,控制温度在70℃,用电化学技术研究了聚苯胺膜的腐蚀行为。红外光谱测量结果显示,不锈钢基底上沉积的聚合物膜是聚苯胺。扫描电子显微镜观察表明,在0.8V电压下得到的聚苯胺膜较为均匀致密。极化曲线和电化学阻抗测量结果表明,聚苯胺膜能够显著提高不锈钢双极板的耐腐蚀性能。     

电沉积铅改性304不锈钢双极板在模拟PEMFC环境中的性能

为提高304不锈钢双极板的耐腐蚀性能,分别采用直流和脉冲电刷镀铅对其表面改性.采用电化学方法测定了改性前后304不锈钢在模拟PEMFC环境下的极化曲线,在扫描电镜 (SEM) 下观察了模拟腐蚀后的表面形貌,并用伏安法测量了改性前后304不锈钢的接触电阻.在模拟PEMFC环境中,改性后304不锈钢自腐蚀电流密度由10.83μA/cm2下降至6.18μA/cm2.经200h模拟腐蚀后,304不锈钢表面发生点蚀,而改性不锈钢板表面完整,未观察到明显腐蚀.改性后的接触电阻也有所降低.结果表明,电沉积铅能有效提高304不锈钢在模拟PEMFC环境中的耐腐蚀性能,可望满足PEMFC环境下长期耐腐蚀的要求.     

偶联剂对石墨/酚醛树脂复合双极板性能的影响

针对石墨/酚醛树脂复合双极板存在的强度低、脆性大等问题,采用偶联剂改性方法来增强复合双极板的界面结合,提高其抗弯强度.研究了偶联剂的种类、添加方式及用量对石墨/酚醛树脂复合材料双极板力学性能和电学性能的影响.结果表明:采用石墨改性法可提高石墨/酚醛树脂复合双极板的抗弯强度,但导电性能有所降低;而采用树脂改性法制备的石墨/树脂复合双极板同时具有较高的电学和力学性能.因此树脂改性法更适合制备复合双极板.当偶联剂质量分数均为0.7％,采用树脂改性法分别以硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂改性时,石墨/树脂复合材料双极板抗弯强度和电导率分别为33.3 MPa,70.3 S· cm-1和32.1 MPa,73.8 S· cm-1,均满足燃料电池用石墨/酚醛树脂复合双极板的技术要求.     

304不锈钢双极板在模拟PEMFC环境中的性能

为降低质子交换膜燃料电池(PEMFC)的生产成本,选择成本低廉、强度高、化学稳定性好的不锈钢材料替代传统的石墨双极板.以304不锈钢为研究对象,采用电化学方法测定其在模拟PEMFC环境下的极化曲线和对应于PEMFC工作电位下的恒电流极化曲线,用伏安法测量304不锈钢表面氧化膜/钝化膜与碳纸之间的接触电阻.结果表明,在模拟PEMFC环境中,304不锈钢钝化电流密度低于16μA/cm2,电流没有出现明显的波动;304不锈钢在模拟PEMFC环境中表面生成的钝化膜的接触电阻大于空气中形成的氧化膜的接触电阻.     

质子交换膜燃料电池薄金属双极板性能优化与设计

针对质子交换膜燃料电池制造技术实用化的瓶颈，研究了质子交换膜燃料电池低成本制造与性能优化问题，建立了质子交换膜燃料电池半个单池的三维计算模型，采用计算流体动力学技术对阳极燃料气体（H2）流场进行了数值模拟；以阳极最大燃料气体（H2）利用率为目标优化流场板沟槽尺寸，设计了一种操作成本低、容易批量生产的板料冲压成形薄金属双极板结构，可增大电池组体积比功率和提高燃料电池的性能；利用弹塑性有限元方法模拟阳极流场板冲压成形过程，验证了板料冲压成形金属双极板结构的可行性．     

A novel graphite/phenolic resin bipolar plate modified by doping carbon fibers for the application of proton exchange membrane fuel cells

In this study, the carbon fibers treated by three methods were selected as a reinforcement to investigate the influence on the properties of composite bipolar plates. The properties and microstructure of the composite bipolar plate were characterized by the four-point probe, universal test machine, contact angle tester and scanning electron microscopy. The optimum treatment methods and the fiber content were analysed. The results showed that the carbon fibers treated by Fenton reagent for 2 ​h exhibited the best performance, which could improve the electrical conductivity and the flexural strength for composite bipolar plate. Besides, the optimal content content of carbon fibers treated by Fenton reagent was 4%. The maximum power density of the PEMFC with the composite bipolar plates could reach 662.75 ​mW ​cm⁻² in H₂-air conditions. Therefore, the phenolic resin/graphite composite bipolar plate modified by doping carbon fibers was a promising candidate for bipolar plate materials for PEMFC.     

固态NaCl诱导的TiAlN多层涂层热腐蚀行为研究

采用高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)技术耦合多弧离子镀技术,在钛合金和304不锈钢基体表面沉积高致密TiAlN/Me多层纳米复合膜层,通过SEM、XRD、XPS等方法对涂层的宏微观结构进行表征,在500 ℃高温的固态盐膜环境下,研究不同金属子层种类对涂层高温热腐蚀能力的影响规律．结果表明:TiAlN/Ti多层涂层孔隙率低至0.049 %,以点蚀为主要腐蚀形式的涂层热腐蚀面积占比为2.948%,分别达到304不锈钢和Ti-6Al-4V钛合金基体耐腐蚀能力的24.046和23.041倍．TiAlN/TiAl涂层由于涂层表面缺陷和层间缺陷分布广泛,涂层腐蚀面积占比达到67.090 %．TiAlN/Ti比TiAlN/TiAl多层纳米复合膜层有更优的高温热腐蚀性能．      

膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板研究

以膨胀石墨为导电骨料、炭黑为添加剂、酚醛树脂为黏结剂,采用模压成形工艺制备质子交换膜燃料电池用膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板.考察树脂含量、成形压力、添加剂用量及添加剂加入方式对复合材料双极板性能的影响.研究结果表明:上述因素对复合材料双极板的性能影响较大,黏结剂的加入量(质量分数)为20％-30％、压力在10～12 MPa较为合适;炭黑对复合材料双极板的性能影响比较复杂,在实验用炭黑范围内,随着炭黑用量的增加,电导率增大较快,抗折强度先增大后减小;在复合材料的混料过程中,将炭黑添加在树脂中,制备的复合材料双极板性能比炭黑添加在膨胀石墨性能好.     

Graphite-polypyrrole coated 316L stainless steel as bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells

316L stainless steel (SS 316L) is quite attractive as bipolar plates in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). In this study, graphite-polypyrrole was coated on SS 316L by the method of cyclic voltammetry. The surface morphology and chemical composition of the graphite-polypyrrole composite coating were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). A simulated working environment of PEMFC was applied for testing the corrosion properties of graphite-polypyrrole coated SS 316L. The current densities in the simulated PEMFC anode and cathode conditions are around 3×10-9 and 9×10-5 A·cm-2, respectively. In addition, the interfacial contact resistance (ICR) was also investigated. The ICR value of graphite-polypyrrole coated SS 316L is much lower than that of bare SS 316L. Therefore, graphite-polypyrrole coated SS 316L indicates a great potential for the application in PEMFC.     

碳基材料在电催化还原CO2中的应用

电催化还原CO₂能够将CO₂转换成高附加值的化学品或燃料,该工艺是一种缓解能源危机和全球变暖的理想途径。但由于缺乏性能优异、价格低廉、环境友好的催化剂,该途径的实用化仍具挑战性。碳基催化剂因具有资源丰富、导电性好、比表面积大、环境友好等优点而被广泛应用于多种催化反应中。目前报道的系列碳基催化剂在CO₂还原反应中也展现出极好的催化性能和应用潜力。综述了N原子掺杂、构造缺陷、单原子负载和金属纳米颗粒负载等手段对碳基材料电催化还原CO₂性能的影响及其催化机制,并总结了电催化还原CO₂所面临的挑战。同时对未来碳基电催化剂的合成及发展进行了展望。     

气敏材料Zn2 SnO4的制备及其特性测量的实验研究

为解决实验内容方法陈旧,制备气敏元件的性能指标无法满足实际测试要求的问题,对半导体气敏材料的制备及其气敏特性测量进行了实验研究,从而提高元件的性能,并使实验内容满足本科教学更加贴近科学研究前沿的需求。通过采用溶剂热法制备了三元金属氧化物Zn2 SnO4气敏材料并对其性能进行了系统测量,并将该实验内容应用于电子功能材料实验的开放性创新实验中。结果表明,基于Zn2 SnO4材料的气敏元件对HCHO 气体表现出优异的气敏特性。通过该实践过程,使学生掌握一种合成纳米材料的新方法,了解材料表征方法,该项目的实施有利于学生提高科研素质和创新能力的培养。     

薄型金属流场板燃料电池性能研究

对某金属流场板燃料电池进行性能试验,通过与某石墨流场板燃料电池在燃料电池效率和单电池平均电压等性能上的对比,对该电堆的整体性能进行了评价.同时对该金属流场板燃料电池进行了100 h振动可靠性试验,振动后通过对单电池电压的分析,发现该金属流场板燃料电池单电池一致性下降,每次振动后极化特性试验中单电池电压最大值出现的位置并无明显规律,而单电池电压最小值出现的位置为燃料电池的末端.