質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）作為一種清潔高效的能源裝置,能夠?qū)淠苤苯愚D(zhuǎn)化成電能,具有啟動快、轉(zhuǎn)化效率高、功率密度大、以及低溫運行等優(yōu)點,可望在交通運輸、便攜裝置、備用電源、空間設備等諸多領(lǐng)域得到廣泛應用。雙極板是PEMFCs的核心部件,在電堆中起到支撐膜電極、分配反應氣體、收集電流、排出生成水等作用。金屬雙極板具有材料超薄、機械強度高、適于批量成形等特點,有望取代傳統(tǒng)的石墨雙極板。然而金屬雙極板表面鈍化膜導致接觸電阻增大,同時在PEMFCs酸性環(huán)境中易于發(fā)生腐蝕現(xiàn)象,金屬離子流失造成質(zhì)子交換膜傳導率下降、污染催化劑,繼而降低PEMFCs輸出性能。在金屬極板表面制備一層黃金涂層,可有效解決金屬極板的導電性能和抗腐蝕性能,但黃金涂層昂貴的成本制約著金屬雙極板的商業(yè)化應用。近年來,導電性能好、抗腐蝕性能強的非晶碳涂層受到學術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。然而非晶碳涂層在實際電堆運行中仍然存在著涂層腐蝕脫落、導電性能下降等問題。本文以金屬極板表面非晶碳涂層為研究對象,開展其抗腐蝕機理及磁控濺射工藝研究。首先,研究非晶碳涂層失效模式與失效機理,建立車用工況下PEMFCs金屬極板表面涂層的等效評價方法... 

【文章來源】：上海交通大學上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：158 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)[6]

第一章緒論21等人[55]對比研究了金屬極板表面TiN涂層在PEMFCs內(nèi)部和外部不同電位評價的結(jié)果，結(jié)果表明隨著腐蝕電位的增加，腐蝕電流密度和腐蝕后的接觸電阻逐步增大。恒電位1.4V極化后的涂層表面形貌與接觸電阻增加規(guī)律與涂層在燃料電池內(nèi)部環(huán)境中的相似，都表現(xiàn)為在表面形成絕緣的TiO2層。因此用較高的電位去加速評估金屬極板表面涂層更為合理。在我們之前的研究中[56]，制備了以Cr、Ti和Nb作為三種不同金屬底層的非晶碳涂層，對比分析了三種涂層在高電位1.1/1.2/1.6V恒電位極化下抗腐蝕規(guī)律。以Cr為底的非晶碳涂層在超過1.1V電位后開始出現(xiàn)脫落，而以Ti和Nb為底層的非晶碳涂層則保持較好的涂層形貌。圖1-13PEMFC模擬環(huán)境中高電位腐蝕評價金屬極板表面涂層極化曲線[23][55]：（a）Cr底層非晶碳不同電位下極化曲線，（b）不同涂層0.84V恒電位極化，（c）納米金涂層不同電位極化曲線，（d）TiN涂層在不同電位極化曲線Fig.1-13Highpotentialpolarizationcurvesofbipolarplatecoatings[23][55]:(a)polarizationcurvesofa-CfilmwithCrlayer,(b)0.84Vpolarizationcurvesofdifferentcoating,(c)polarizationcurvesofnano-goldfilm,(d)polarizationcurvesofTiNfilm綜上所述，學者多基于DOE技術(shù)標準，采用離線電化學方法評價金屬極板表面涂層抗腐蝕性能。但所選用評價標準、腐蝕環(huán)境和極化電位并未和實際使用工況關(guān)聯(lián)，無法解釋PEMFCs電堆運行過程中涂層失效形式以及失效機理。1.3研究現(xiàn)狀總結(jié)PEMFCs由于高效、零污染、能量轉(zhuǎn)化效率高等特點，可作為未來移動電源

上海交通大學博士學位論文48一個適中的沉積氣壓。圖3-1氬氣流量與沉積氣壓和基體偏流的關(guān)系曲線Fig.3-1Thedepositionpressureandbiasionscurrentunderdifferentargonflowrate3.2.2基體偏壓及調(diào)控參數(shù)在磁控濺射裝備設計過程中，通常在基體掛架和腔體間連接電壓稱為偏壓，起到對于等離子體空間中離子進行加速，以此作為一個獨立的工藝參數(shù)對基片進行清洗，調(diào)節(jié)涂層結(jié)構(gòu)和改善涂層性能的作用[120]。非晶碳涂層的生長過程主要包含三個主要階段：（a）碳原子和離子被高能的氬離子從靶材中濺射出靶材表面；（b）濺射出的原子和離子在等離子體空間輸運至基體表面；（c）原子和離子在基體表面形核、長大、凝結(jié)成膜，并與基材形成物理或化學鍵合結(jié)構(gòu)[121]。如圖3-2所示，濺射產(chǎn)生的等離子體中含有部分氬離子和靶材離子，將受到基體偏壓加速，獲得一定動能運動至基體表面，并對沉積的薄膜起到轟擊作用。一方面能打掉結(jié)合力不牢的涂層結(jié)構(gòu)，另一方面對已經(jīng)結(jié)合的結(jié)構(gòu)進一步夯實，進一步提升涂層的致密性。同時由于偏壓促使靶材離子的加速，賦予離子轟擊的能量，被加速的離子在晶體結(jié)構(gòu)及晶面取向轉(zhuǎn)變中產(chǎn)生重要作用。隨著加速偏壓的增加，轟擊能量不斷增大，涂層由粗大的柱狀晶結(jié)構(gòu)向細晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，提升涂層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時由于離子轟擊的作用，使得涂層組織的應變增加，將促使形成的晶面取向往應變能較小的方向轉(zhuǎn)變，晶面擇優(yōu)取向的變化，賦予涂層新的性能。但當偏壓過高時，離子能量過高，對涂層轟擊產(chǎn)生大量的缺陷，損傷涂層。

【參考文獻】：
期刊論文
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[3]多尺度強韌化碳基潤滑薄膜的研究進展[J]. 蒲吉斌,王立平,薛群基.  中國表面工程. 2014(06)
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博士論文
[1]質(zhì)子交換膜燃料電池啟停特性及控制策略研究[D]. 余意.武漢理工大學 2013

碩士論文
[1]TiAl/Al2O3界面相互作用第一性原理研究[D]. 王保棟.哈爾濱工業(yè)大學 2012
[2]碳鏈在Ni（111）表面初期生長機制的第一性原理研究[D]. 賀蓓麗.湘潭大學 2010



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