【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)因功率密度高、工作溫度低、效率高和零污染等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。不銹鋼作為PEM型燃料電池雙極板在強(qiáng)度、成本、可加工性等方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),但在PEM型燃料電池工作環(huán)境中易腐蝕。為推動(dòng)不銹鋼雙極板的商業(yè)化進(jìn)程,必須對(duì)其進(jìn)行表面改性。本文采用等離子體增強(qiáng)平衡磁控濺射技術(shù)對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行表面改性,即在316L表面制備滲氮層、Cr/CrN_x涂層以及Cr/Cr_2N涂層,研究了磁控濺射沉積工藝參數(shù)對(duì)涂層顯微形貌、相結(jié)構(gòu)、接觸電阻及耐蝕性的影響。研究結(jié)果表明:基體偏壓對(duì)316L奧氏體不銹鋼表面等離子體氮化層性能研究表明:滲氮層表面具有尖銳的晶界,出現(xiàn)大面積“滑移臺(tái)階”,衍射峰出現(xiàn)寬化、不對(duì)稱、高指數(shù)的衍射峰減小、衍射峰向小角度偏移現(xiàn)象,晶界并未發(fā)現(xiàn)氮化物析出;當(dāng)滲氮偏壓為-500V時(shí),樣品表面形態(tài)相對(duì)平滑,晶格畸變較小,界面接觸電阻ICR值為170mΩ/cm~2,在PEM型燃料電池工作環(huán)境中耐蝕性較好且運(yùn)行穩(wěn)定;利用恒電位方法,0.6V成膜電位下在滲氮層表面上沉積1h鈍化膜,鈍化膜表現(xiàn)出p型半導(dǎo)體特征,-500V時(shí)界面化學(xué)反應(yīng)速度較慢,耐蝕性較好。燈絲電流對(duì)氮、鉻共沉積Cr/CrN_x涂層性能研究表明:燈絲電流為4A時(shí),晶粒尺寸均勻,晶格畸變小,晶粒完整度高;涂層由Cr相和CrN相組成;在模擬PEM型燃料電池雙極板工作環(huán)境中涂層耐蝕性較好,涂層交流阻抗譜由電荷轉(zhuǎn)移步驟和擴(kuò)散步驟組成;ICR值在7.64mΩ/cm~2左右;涂層鈍化膜類型由p型半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成為n型半導(dǎo)體特征。滲氮時(shí)間對(duì)鍍Cr后滲氮沉積Cr/Cr_2N涂層性能研究表明:隨著滲氮沉積時(shí)間增加,晶粒由長(zhǎng)條胞狀Cr轉(zhuǎn)變?yōu)閳A胞狀Cr_2N,晶胞間結(jié)合處并無(wú)明顯孔隙,晶胞更細(xì)小且無(wú)縱向空孔洞;Cr(200)峰向Cr_2N(111)峰轉(zhuǎn)化且Cr(200)峰逐漸減弱;滲氮0h時(shí)為Cr涂層,此時(shí)耐蝕性較好但接觸電阻為567mΩ·cm~(-2),是Cr/Cr_2N涂層的七倍左右。綜合分析,滲氮時(shí)間為4h時(shí),涂層為圓胞狀結(jié)構(gòu),Cr_2N峰較強(qiáng),耐蝕性較好且運(yùn)行較穩(wěn)定,ICR為80mΩ/cm~2。Cr表面鈍化膜表現(xiàn)出n型半導(dǎo)體特性,而Cr/Cr_2N表面鈍化膜表現(xiàn)出p-type半導(dǎo)體特性。
【圖文】：

而被認(rèn)為是運(yùn)輸和住宅應(yīng)用的主要?jiǎng)恿υ粗籟13-17]。PEMFC 的主要組件是膜電極 MEA（Membrane Electrode Assembly）、氣體擴(kuò)散層 GDL（Gas Diffusion Layer和雙極板 BP（Bipolar Plate）。PEMFC 可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，，因其在低溫（70~90℃）下高功率密度性因此非常有應(yīng)用前景。與內(nèi)燃機(jī)不同，燃料不會(huì)產(chǎn)生空氣污染以及固體污染物由于單個(gè)電池只能提供約 0.5~0.7V 的輸出電壓，因此電池串聯(lián)堆疊在一起，通過(guò)雙極板連接。雙極板是 PEMFC 堆疊中的多功能組件，因?yàn)樗鼈兪占鲗?dǎo)電池中的電流，并將氣體分離，板中的流動(dòng)通道將反應(yīng)氣體輸送到燃料電池電極在典型的燃料電池堆中，雙極板占了超過(guò) 80％的質(zhì)量和幾乎所有的體積。1.1.2 PEMFC 構(gòu)成單個(gè) PEMFC 系統(tǒng)是雙極板、碳纖維帶、陽(yáng)極、催化劑、薄膜、陰極等部分構(gòu)成，圖 1.1 為 PEMFC 單電池結(jié)構(gòu)示意圖。其中，膜電極與雙極板至關(guān)重要。雙極板在 PEMFC 中不僅負(fù)責(zé)導(dǎo)通，還能夠分離氧化劑、還原劑兩部分。

圖 2.2 等離子增強(qiáng)平衡（回旋式）磁控濺射鍍膜系統(tǒng)Fig. 2.2 Plasma enhanced magnetron sputtering system化學(xué)測(cè)試方法 PEMFC 雙極板研究中，提升其耐腐蝕性特別重要�，F(xiàn)如今，在 PEMFC 使用環(huán)境里，利用 Autolab 電化學(xué)工作站在電解液行耐腐蝕性能檢測(cè)，其內(nèi)容包含試樣的動(dòng)電位極化曲線、恒電、陽(yáng)極）、交流阻抗譜（EIS）以及 Mott-Schottky 曲線等。驗(yàn)所采用的是 Autolab 電化學(xué)工作站，設(shè)備實(shí)物見(jiàn)圖 2.3，并配ency ResponseAnalysis software）、GPES（General Purpose Electr軟件。本實(shí)驗(yàn)利用這兩個(gè)軟件進(jìn)行控制、檢測(cè)和分析。本實(shí)驗(yàn)待測(cè)試樣是工作電極（WE），鉑片電極即輔助電極（CE），參比電極（RE）。實(shí)驗(yàn)溶液為（0.5mol/L H2SO4+5×10-6mol/本文中所用工作電極是經(jīng)過(guò)表面處理的 316L 不銹鋼，將其背
【學(xué)位授予單位】：遼寧科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TG174.4;TM911.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2675092