質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板表面ZrN-ZrCN和TiN-TiSiN涂層性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFC）是以H2為燃料，空氣或O2為氧化劑的一種高效、環(huán)保、節(jié)能的新型發(fā)電裝置。它以全氟磺酸型離子交換膜為電解質(zhì)，將燃料和氧化劑中存儲(chǔ)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，燃料—電能轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60％，工作溫度一般在60℃～100℃，具有廣闊的市場(chǎng)前景，適用于航空、潛艇、電動(dòng)氣車(chē)、電站和可移動(dòng)電源等工業(yè)，已成為越來(lái)越多的國(guó)家和企業(yè)研究的熱點(diǎn)之一。雙極板在質(zhì)子交

2、換膜燃料電池（PEMFC）中起著非常重要的作用，也是限制其工業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵部件。雙極板性能的好壞決定著質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命。由于雙極板要具有良好的耐蝕、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和易于加工等性能，所以石墨雙極板逐漸被金屬雙極板所取代，不銹鋼和鈦合金是目前被研究較多的金屬雙極板材料，但由于其在酸性條件和 PEMFC的使用溫度下較差的耐蝕性能和較高的界面接觸電阻，大大降低了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的輸出功率，使

3、不銹鋼和鈦合金作為雙極板材料的普及受到阻礙。
　　為改善上述雙極板材料的不足之處，本文采用雙陰極等離子濺射沉積技術(shù)在Ti-6A1-4V合金表面制備了納米晶ZrN基（ZrN和ZrCN）和TiN（TiN和TiSiN）基納米晶陶瓷涂層。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和X射線衍射（XRD）等微觀分析技術(shù)表征了所制備涂層的組織結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：所制備TiN基和ZrN基涂層由連續(xù)致密的沉積層和擴(kuò)散層組成，且涂層表面光滑平

4、整，無(wú)明顯的剝落、孔洞和裂紋等缺陷。通過(guò)對(duì)所制備涂層在模擬 PEMFC環(huán)境陽(yáng)極工作電壓（-0.1V）和陰極工作電壓（+0.6V）下的開(kāi)路電位、交流阻抗、恒電位極化和動(dòng)電位極化等電化學(xué)測(cè)試和界面接觸電阻測(cè)試結(jié)果的分析得出：ZrN基涂層中的腐蝕電位從高到低為ZrCN涂層>ZrN涂層>Ti-6A1-4V合金，而對(duì)于納米晶TiN基涂層， TiSiN和TiN涂層的腐蝕電位明顯高于Ti-6A1-4V合金，TiSiN涂層的腐蝕電位又高于TiN涂層。在

5、陰極工作電壓（+0.6V）下ZrN基和TiN基納米晶涂層均位于鈍化區(qū)間內(nèi)。而在陽(yáng)極工作電壓（-0.1V）下，ZrN基納米晶涂層呈現(xiàn)出陰極保護(hù)特征。ZrN基和TiN基納米晶涂層在交流阻抗測(cè)中得出的容抗弧半徑和相位角最大值所占頻率寬度均大于Ti-6A1-4V合金，且其界面接觸電阻也低于Ti-6A1-4V合金。此外，本文通過(guò)分別改變PEMFC環(huán)境下0.5 mol?L-1H2SO4+2 mg?L-1 HF溶液中HF酸濃度發(fā)現(xiàn)，TiN基和ZrN基