本文關(guān)鍵詞：基于滲擴(kuò)改性不銹鋼的船用燃料電池雙極板特性研究

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【摘要】：減少船舶尾氣排放是《MARPOL公約》附則VI中改善海洋大氣環(huán)境和港口環(huán)境的重點(diǎn)。聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池具有效率高、運(yùn)行溫度低、室溫快速啟動(dòng)和環(huán)境友好等特點(diǎn)。大功率PEM燃料電池可作為商業(yè)船舶、港口船舶和內(nèi)河船舶等的動(dòng)力和船舶電網(wǎng)發(fā)電站,是減少船舶尾氣排放的重要技術(shù)途徑之(?)雙極板是連接單電池構(gòu)成大功率燃料電池電堆的重要的多功能組件,直接決定著燃料電池的能量密度、體積密度和成本。本文針對(duì)不銹鋼雙極板表面同時(shí)存在耐蝕性和導(dǎo)電性不足的問(wèn)題,提出采用等離了表面合金化方法制備新型改性層,并研究其腐蝕行為和表面導(dǎo)電性等性能,探索改性層與耐蝕性、導(dǎo)電性的關(guān)系,以及表面耐腐蝕和表面導(dǎo)電機(jī)制。主要工作與結(jié)果如下： 采用等離子表面合金化方法在商用304不銹鋼(SS)表面分別制備出了鎢、鉬和鈮的合金化滲擴(kuò)改性層。改性層均勻致密且無(wú)微孔和微裂紋等缺陷,與基體的結(jié)合為良好的冶金結(jié)合。在模擬PEMFC環(huán)境中(70℃,0.05M H2SO4+2ppm HF溶液,通氫氣模擬陽(yáng)極環(huán)境,通空氣模擬陰極環(huán)境),上述改性層均發(fā)生鈍化現(xiàn)象,在燃料電池工作電位區(qū)處于鈍化狀態(tài)；合金化滲擴(kuò)改性層的成分直接影響雙極板的耐腐蝕性,由于鈮在酸性環(huán)境中的優(yōu)異耐蝕性,其合金化滲擴(kuò)改性層表現(xiàn)出較好的耐蝕性和穩(wěn)定性。 在過(guò)渡金屬合金化滲擴(kuò)改性層的基礎(chǔ)上,引入含氮或碳的反應(yīng)氣體,分別制備出鈮氮化物和鈮碳化物的化合物滲擴(kuò)改性層。鈮氮化物滲擴(kuò)改性層是由多相β-Nb2N、δ'-NbN和δ-NbN鈮氮化物表層和鈮、氮擴(kuò)散次表層所組成；鈮碳化物滲擴(kuò)改性層則由單相NbC表層和擴(kuò)散次表層組成。在模擬PEMFC環(huán)境巾化合物改性層均提高不銹鋼的耐腐蝕性、降低鈍化電流密度、降低表面接觸電阻、提高表面疏水性。鈮氮化物和碳化物合金化滲擴(kuò)改性層使304SS雙極板在PEMFC條件下的腐蝕電流密度分別降到了0.127μA cm-2和0.058μA cm-2均低于1μAcm-2；恒電位極化后,鈮碳化物合金化滲擴(kuò)改性304SS的接觸電阻達(dá)到9.04mΩ cm2,小于10mΩcm2,滿足美國(guó)能源部(DOE)2015年的雙極板目標(biāo)性能要求 利用ICP-AES技術(shù)對(duì)腐蝕溶液中溶解的金屬離子進(jìn)行分析,并結(jié)合XPS的分析結(jié)果探討了不同的腐蝕環(huán)境對(duì)表面改性前后304SS鈍化膜的成分、結(jié)構(gòu)和厚度影響。結(jié)果表明,鈍化膜結(jié)構(gòu)和成分受腐蝕條件的控制,也直接決定改性層的耐腐蝕性和表面導(dǎo)電性。認(rèn)為鈮碳化物滲擴(kuò)改性層鈍化膜較薄,其中除了含有Nb氧化物外還有一定量的NbC,有利于表面導(dǎo)電性的提高。 此外,本文還研究了含有不同甲醇濃度的酸性溶液的雙極板性能,隨著甲醇濃度的提高,鈮碳化物合金化滲擴(kuò)改性前后不銹鋼的腐蝕速度均降低,鈮碳化物滲擴(kuò)改性304SS形成的鈍化膜較薄,具有n型半導(dǎo)性質(zhì)；而不銹鋼形成的鈍化膜較厚,具有雙層結(jié)構(gòu)一外層n-型半導(dǎo)體層和內(nèi)層p-型半導(dǎo)體層。
【關(guān)鍵詞】：PEM燃料電池 鈍化膜 不銹鋼雙極板 等離子表面合金化 腐蝕 接觸電阻
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：U664.1
【目錄】：

• 創(chuàng)新點(diǎn)摘要5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 緒論13-37
• 1.1 引言13-14
• 1.2 燃料電池與船舶應(yīng)用14-16
• 1.3 PEM燃料電池雙極板的研究現(xiàn)狀16-33
• 1.3.1 雙極板材料的選擇17-19
• 1.3.2 不銹鋼的鈍化19-25
• 1.3.3 不銹鋼雙極板的研究進(jìn)展25-33
• 1.4 等離子表面合金化改性技術(shù)33-35
• 1.5 本文研究思路35-37
• 第二章 304不銹鋼表面過(guò)渡金屬合金化滲擴(kuò)改性37-59
• 2.1 改性元素的選擇37-39
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分39-45
• 2.2.1 基體材料39-40
• 2.2.2 改性層的制備40-41
• 2.2.3 改性層的表征41
• 2.2.4 腐蝕溶液和腐蝕環(huán)境的選擇41-42
• 2.2.5 在模擬PEMFC環(huán)境中的電化學(xué)測(cè)試42-43
• 2.2.6 接觸電阻測(cè)量43-45
• 2.3 過(guò)渡金屬表面合金化滲擴(kuò)改性層的分析45-47
• 2.3.1 截面厚度和形貌45-47
• 2.4 耐蝕性研究47-53
• 2.4.1 極化曲線47-51
• 2.4.2 恒電位極化51-53
• 2.5 表面導(dǎo)電性研究53-58
• 2.5.1 恒電位極化前的接觸電阻54-56
• 2.5.2 恒電位極化對(duì)接觸電阻的影響56-58
• 2.6 本章小結(jié)58-59
• 第三章 304不銹鋼表面鈮氮化物合金化滲擴(kuò)改性59-70
• 3.1 實(shí)驗(yàn)方法59-61
• 3.1.1 鈮氮化物合金化滲擴(kuò)改性層的制備59-60
• 3.1.2 鈮氮化物合金化滲擴(kuò)改性層的表征60
• 3.1.3 電化學(xué)測(cè)試60
• 3.1.4 接觸電阻的測(cè)量60-61
• 3.2 鈮氮化物合金化滲擴(kuò)改性層的分析61-64
• 3.2.1 組織結(jié)構(gòu)分析61-62
• 3.2.2 表面侵潤(rùn)性分析62-64
• 3.3 Nb-N 304SS在模擬PEMFC環(huán)境中的腐蝕行為64-66
• 3.3.1 極化曲線64-65
• 3.3.2 Nb-N 304SS在PEMFC環(huán)境中的穩(wěn)定性65-66
• 3.3.3 金屬腐蝕產(chǎn)物分析66
• 3.4 恒電位極化對(duì)Nb-N 304SS接觸電阻的影響66-68
• 3.4.1 恒電位極化前Nb-N 304SS的接觸電阻66-67
• 3.4.2 恒電位極化后Nb-N 304SS的接觸電阻67-68
• 3.5 本章小結(jié)68-70
• 第四章 304不銹鋼表面鈮碳化物合金化滲擴(kuò)改性70-84
• 4.1 實(shí)驗(yàn)方法70-71
• 4.1.1 鈮碳化物合金化滲擴(kuò)改性層的制備70
• 4.1.2 鈮碳化物合金化滲擴(kuò)改性304SS的表征與檢測(cè)70-71
• 4.2 鈮碳化物合金化滲擴(kuò)改性層的分析71-73
• 4.2.1 相分析71-72
• 4.2.2 表面形貌及改性層厚度72-73
• 4.3 Nb-C 304SS在模擬PEMFC環(huán)境中的腐蝕行為73-81
• 4.3.1 極化曲線74
• 4.3.2 恒電位時(shí)間-電流密度曲線74-76
• 4.3.3 金屬腐蝕產(chǎn)物分析76
• 4.3.4 恒電位極化對(duì)Nb-C 304SS表而形貌的影響76-78
• 4.3.5 恒電位極化前后Nb-C 304SS的飩化膜成分分析78-81
• 4.4 恒電位極化對(duì)Nb-C 304SS接觸電阻的影響81-82
• 4.5 本章小結(jié)82-84
• 第五章 表面合金化滲擴(kuò)改性304不銹鋼在DMFC中的應(yīng)用84-108
• 5.1 引言84-85
• 5.2 試驗(yàn)方法85-86
• 5.2.1 電化學(xué)測(cè)試85-86
• 5.2.2 表面形貌和鈍化膜86
• 5.3 甲醇濃度對(duì)304不銹鋼在模擬DMFC環(huán)境中腐蝕行為的影響86-100
• 5.3.1 極化曲線86-88
• 5.3.2 恒電位時(shí)間-電流密度曲線88-91
• 5.3.3 恒電位極化后304不銹鋼表面形貌分析91
• 5.3.4 金屬腐蝕產(chǎn)物分析91-92
• 5.3.5 電化學(xué)阻抗譜92-96
• 5.3.6 鈍化膜性質(zhì)解析96-99
• 5.3.7 甲醇濃度對(duì)304不銹鋼接觸電阻的影響99-100
• 5.4 Nb-C 304SS在模擬DMFC環(huán)境巾的腐蝕行為100-107
• 5.4.1 Nb-C 304SS在模擬DMFC陰極環(huán)境中的耐蝕性100-102
• 5.4.2 甲醇濃度對(duì)Nb-C 304SS腐蝕行為的影響102-103
• 5.4.3 甲醇濃度對(duì)Nb-C 304SS表面鈍化膜的影響103-106
• 5.4.4 甲醇濃度對(duì)Nb-C 304SS接觸電阻的影響106-107
• 5.5 本章小結(jié)107-108
• 第六章 結(jié)論與展望108-111
• 6.1 結(jié)論108-109
• 6.2 展望109-111
• 參考文獻(xiàn)111-125
• 攻讀學(xué)位期間公開(kāi)發(fā)表論文125-127
• 致謝127-128
• 作者簡(jiǎn)介128

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：826652