PEMFC钛金属双极板表面改性研究进展

钛和钛合金具有低密度、高强度,在酸性环境中表现出优异的耐蚀性能,在质子交换膜燃料电池(PEMFC)金属双极板中具有很高的研究和使用价值。介绍了质子交换膜燃料电池的工作原理,石墨材料、金属材料和复合材料等双极板的优缺点。以钛金属双极板为例,综述了金属双极板表面改性方法及其研究进展,指出了未来钛金属双极板表面改性的研究方向。     

燃料电池金属双极板表面改性技术综述

文章从耐腐蚀性、导电性的角度,概述了燃料电池金属双极板的性能要求、表面改性涂层材料和改性加工方式,重点介绍了不同涂层材料表面改性的特点,及对金属双极板性能的影响,为燃料电池双极板的后续发展提供参考。     

金属双极板冲压过程有限元模拟及工艺优化

金属双极板是交换膜燃料电池的重要零部件,为了充分发挥其作用,本文对金属双极板冲压过程有限元模拟及工艺优化进行了分析。     

氢燃料电池中钛双极板研究进展

钛及钛合金密度低、比强度高且在酸性环境中耐蚀性优异,在氢燃料电池双极板中具有较高的应用价值。回顾了近年来氢燃料电池用钛双极板的研究进展,详述了钛双极板表面改性技术的研究成果,包括掺杂合金元素、钛表面涂覆金属基涂层(贵金属、金属碳/氮化物等)和碳基涂层(石墨、无定型碳等)。涂层结构组织的复合化和纳米化,有利于提升钛双极板的耐蚀性、导电性和疏水性,其对于提升氢燃料电池的性能及保证其运行的稳定性和耐久性具有重要作用。     

质子交换膜燃料电池双极板用不锈钢的聚苯胺涂层改性

将苯胺单体滴加到硫酸溶液中配制成电解液,采用恒电流法在304不锈钢板表面沉积聚苯胺涂层,通过动电位极化和恒电位极化分析不锈钢板的防腐性能,利用自制的导电性能测试设备分析涂层与不锈钢板的界面接触电阻,探讨聚苯胺涂层用于质子交换膜燃料电池双极板改性的可能性。结果表明,在优化工艺条件下制备的聚苯胺涂层的腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为369 mV和0.479μA/cm2,与裸钢相比,腐蚀电位升高536 mV,腐蚀电流密度降低4个数量级。模拟质子交换膜燃料电池的实际工作环境进行恒电位极化曲线测试,分析测试后的溶液离子含量。结果表明,涂层改性不锈钢板的腐蚀电流密度比裸钢低2个数量级,具有很好的耐久性;阳极环境比阴极环境具有更强的腐蚀性。恒电位极化测试前,压力为1.4 MPa时,裸钢和涂层试样的界面接触电阻分别为97和145 mΩ·cm2,腐蚀后涂层试样的界面接触电阻比裸钢的低更多。用聚苯胺改性的不锈钢的防腐和导电性能在一定程度上都能达到目标值,在质子交换膜燃料电池双极板中具有很大的应用潜力。     

碳基复合材料模压双极板研究进展

双极板作为质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的重要组成部件,对电池堆的重量、体积、效率、耐久度、成本起着决定性作用。目前,金属板与石墨板电堆制备技术相对成熟,已经广泛应用于商用车、乘用车领域,但复合双极板的生产制造因原料配方未完全实现国产化、无法大批量流水线生产、成本较高等在我国仍未大批量投入市场,寻找低成本的原材料、优化原料配比及加工条件、缩短加工周期对复合双极板的产业化具有重要意义。本文首先比较了金属双极板、石墨双极板和复合双极板的特点,介绍了复合双极板的模压工艺及优点,然后概述了碳基复合材料模压双极板的研究进展,包括以酚醛树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂等热固性树脂为黏结剂的树脂/石墨复合双极板和炭黑、碳纤维、碳纳米管增强复合双极板,重点总结了原料种类、配比和成型工艺条件对双极板性能的影响,最后梳理了复合双极板的产业化现状,提出国内外主要双极板研发企业面临的问题,并对复合双极板的发展方向进行了展望。      

PECVD法原位渗氮表面改性钛双极板的性能

为了提升钛双极板的导电性和耐腐蚀性,利用氮气等离子体原位渗氮法对钛片（TA2）进行表面改性,制备了系列氮化钛涂层,系统研究了反应温度和渗氮时间对涂层表面形貌、疏水性、界面导电性和耐腐蚀性的影响。结果表明,温度过高会导致氮化钛生长过快,颗粒尺寸较大;温度较低不利于表面反应,涂层不能完全覆盖钛基底;渗氮时间较短,表面生成不规则的纳米生长核,致使涂层不平整、钛基底裸露;渗氮时间过长,涂层呈阶梯堆垛状,平整度降低。650 °C下渗氮90 min制备的氮化钛涂层（TiN-650-90）均匀平整,组成为TiN_0.26;TiN-650-90的水接触角提升至105.4°,表面疏水性有利于改善燃料电池的水管理性能;界面接触电阻（ICR）随加载压力增大而降低,2.75 MPa时TiN-650-90的ICR稳定至6.5 mΩ·cm2,满足美国能源部（DOE）要求（≤10 mΩ·cm2）;TiN-650-90的腐蚀电流密度为0.56 μA·cm–2,–0.1 V恒电位下的电流密度为0.67 μA·cm–2,耐腐性和稳定性较钛的明显提升。该方法制备氮化钛涂层表面改性钛双极板,具有沉积温度低、速度快,疏水性、导电性和耐腐蚀性优良等优点,可为金属双极板表面改性提供方法借鉴和工艺参考。      

沉没辊表面抗液态锌腐蚀材料的研究

着重介绍了液态锌液对金属的腐蚀机制,对耐锌蚀材料及表面改性方法研究进行比较分析,并对耐液态锌腐蚀材料的发展趋势进行展望.结果表明热喷涂WC/Co、Al2O3、ZrO2-Y2O3、MoB/CoCr等涂层材料能有效提高抗锌液腐蚀能力,其中超音速喷涂MoB/CoCr涂层的性能最为突出,抗锌液腐蚀能力达600多小时,是有望成为提高沉没辊使用寿命的涂层材料.     

耐腐蚀涂层Cr_2N在质子交换膜燃料电池中的应用性能研究

采用固体粉末包埋工艺在316L不锈钢双极板上沉积Cr_2N涂层,通过动电位和恒电位极化测试研究了Cr_2N涂层的耐腐蚀性,并测量了界面接触电阻(ICR)和接触角。结果表明,与316L不锈钢相比,在1 100℃下沉积的Cr_2N涂层表现出较好的物相形貌、耐腐蚀性和较低的ICR值;Cr_2N涂层的腐蚀电流密度在0.84 V(vs.SHE)下约5.01×10~(-8) A/cm~2,比316L不锈钢低了三个数量级;Cr_2N涂层的ICR值在150 N/cm~2时为8.7 mΩ·cm~2,约为316L不锈钢的1/8;Cr_2N涂层致密、平滑、连续,其阻抗和相位角在电解质溶液中变化较小,能够阻止SO■、F~-向基底渗透,起到有效的防腐作用。此外,Cr_2N涂层还可以改善双极板的疏水性,在沉积Cr_2N涂层后,不锈钢双极板的接触角从79.7°提升到105.7°。Cr_2N涂层是用于质子交换膜燃料电池的316L不锈钢双极板的理想保护层。     

高速电弧喷涂Fe-Al/WC复合涂层在450℃下的热腐蚀行为

采用高速电弧喷涂技术在20G钢基体上制备了Fe-Al/WC金属间化合物复合涂层,利用涂盐热腐蚀试验测试了涂层在450℃下的抗热腐蚀性能。结果表明,Fe-Al/WC复合涂层的热腐蚀动力学曲线近似呈现出抛物线规律;涂层表面的腐蚀产物主要为疏松的Fe2O3,此外,还有少量的Al2O3和FeS,且其分布不均匀;涂层表面优先形成具有保护性的Al2O3膜,保证了涂层具有一定的抗热腐蚀性能;Fe元素的扩散、化学反应及电化学反应综合作用是涂层加速腐蚀的主要原因。     

金属表面腐蚀防护复合涂层技术问世

采用涂层技术对金属表面进行腐蚀防护的方法由来已久,如各类镀层、金属热喷涂涂层、有机涂料涂层等,均取得了较好的防护效果。相对于铁而言,锌、钼等都是活性很强的金属,采用热喷涂锌、钼或其合金形成金属涂层,可对铜铁金属形成良好的保护,但由于金属热喷涂形成的金属涂层是由熔化金属雾化成4～40μm的微粒而黏附于铜铁基材的表面上,涂层结构较疏松,腐蚀介质可以轻易地渗透浸入到钢铁基材,形成腐蚀,故其表面必须采用封闭涂料进行封闭处理。目前封闭材料一般采用液体涂料或各类油漆,在实际应用中,尤其在恶劣的腐蚀环境下,许多采用上述工艺加工的钢铁构件,腐蚀介质仍能较快地穿透其外封闭层而侵蚀到金属基材;另外,液体涂料或各类油漆亦有或多或少地存在环境污染问题,且施工成本高,涂层质量不易保证。     

不锈钢钢筋在钢筋混凝土结构中的应用

1不锈钢钢筋的主要特性不锈钢表面有一层自修复富铬氧化膜，其优良耐蚀性不仅使不锈钢成为建筑构件的首选，还是被腐蚀的钢筋混凝土构件中碳钢钢筋的最佳替代材料。不锈钢钢筋的自修复氧化层使其耐腐蚀性优于涂层耐蚀钢的耐腐蚀性，耐氯化物腐蚀性优于其他耐蚀钢筋替代材料。     

用于海洋环境下活化腐蚀防护的高性能电弧喷涂层

采用铝或锌涂层的活性腐蚀防护是热喷涂技术应用最多的领域.每年大约要消耗20,000吨的喷涂线材,并且未来需求还在增加.热喷涂技术及材料无论是单独还是一起在海洋环境下使用,都有一定的标准.海上风力发电机（OWET）要求维护间隔时间尽可能长,这可以通过使用长寿命的表面涂层来满足使用要求.目前,金属喷涂涂层主要用于OWET的高应力部件,如法兰、框架和安装面.在实验室测试的过程中,研究了多种用于OWET的双涂层体系的抗腐蚀效果,其中金属涂层关注最多.制备了不同厚度和特性的Zn/A1和Al涂层,对部分涂层进行封孔处理,并制备有机涂层形成多层涂层体系.其目的之一是制备地氧含量的防护涂层,并和目前标准的工艺进行对比.依照ISO20340标准[5]对涂层和标样涂层的抗腐蚀性能进行了25周的循环老化测试评价,评估标准为：涂层划痕处的腐蚀和渗透、涂层起泡和锈蚀程度,以及涂层与基材的结合力.测试结果表明,喷涂金属涂层是一种有效的改善材料的抗腐蚀性能方法.采用活性气体作雾化气体的电弧喷涂或冷喷涂制备Zn/A115涂层能够提升涂层的防护效果,并且可以降低涂层的厚度,具有较好的经济前景.     

钼镧合金表面FeCrAl涂层耐腐蚀性能

采用非平衡磁控溅射工艺在Mo–La合金表面沉积FeCrAl涂层,研究所制备涂层的耐腐蚀性及涂层的腐蚀机理。结果表明：FeCrAl涂层样品在360℃、18.6 MPa、纯水的高压釜中腐蚀72 h,平均腐蚀速率为3.8 mg·dm_?²,低于同条件下锆合金以及未沉积涂层的钼镧合金的腐蚀速率,且涂层中的Al与外界环境介质中的氧发生反应,在涂层表面形成致密的Al₂O₃薄膜,在一定程度上减缓了涂层的腐蚀速度,有效保护了基体材料。FeCrAl涂层样品在1200℃、0.1 MPa的高温水蒸气环境下腐蚀8 h,Al₂O₃氧化膜厚度在4.0μm左右,涂层维持保护效果,钼镧合金基体未暴露在腐蚀环境中;经淬火后,Al₂O₃氧化膜厚度减小至2.5μm左右,涂层依旧维持结构完整性,没有出现贯穿性脱落,满足Mo–La合金表面耐腐蚀性的使用要求。     

质子交换膜燃料电池电极催化材料发展概况

质子交换膜燃料电池 (PEMFC)具有低温快速启动、比能量高、无噪音、无污染等诸多优点 ,在潜艇、航天、洁净电站、移动电源及电动汽车等各个领域具有广阔的应用前景 ,引起人们巨大关注。对PEMFC电极催化材料的发展现状作了简要概述 ,并指出为达到商业化目的 ,PEMFC关键材料、关键技术尚需作出较大突破。对于电极催化材料 ,应努力提高铂金属利用率 ,降低铂担载量 ,降低制造成本 ;应努力增强催化剂抗中毒能力 ,以达到实用化要求     

镁合金表面耐蚀涂层研究进展

综述了镁合金表面耐蚀涂层处理方法，主要有化学转化膜、阳极氧化膜、金属涂(镀)层和有机物涂层等，并指出了今后的发展方向。     

医用钛及钛合金表面改性材料与技术研究进展

由于医用钛及钛合金的优异性能及广泛应用,其表面改性材料及技术引起了人们的关注。本文介绍了羟基磷灰石涂层、耐蚀耐磨涂层以及表面抗菌涂层的应用现状,展望了医用钛及钛合金表面改性材料与技术研究和发展方向。     

燃料电池发电技术获重大突破

燃料电池发电作为一种新兴的发电技术，具有发电效率高、污染小、可用作分散电源、不需要大量冷却水等优点。近日，我国拥有自主知识产权的燃料电池发电技术研究开发课题取得重要突破，首次完成了大面积双极板熔融碳酸盐燃料电池堆发电试验。     

镁合金表面防腐蚀处理研究

综述了近年来镁合金表面防腐蚀处理的方法，主要有化学转化膜、阳极氧化、金属涂层、有机涂层、有机镀膜、气相沉积、快速凝固等，并对镁合金表面处理的发展方向进行了探讨。     

溅射AlY涂层对Ni基合金抗热腐蚀性能的影响

采用磁控溅射方法在镍基合金表面制备AlY涂层,并对涂层试样分别进行预氧化和真空扩散退火处理,对比研究镍基合金、预氧化AlY涂层试样和真空扩散退火AlY涂层试样在900℃硫酸盐膜下的热腐蚀动力学及腐蚀产物的组成。结果表明,各试样的腐蚀动力学均分段遵循抛物线规律。对于24 h的腐蚀增重,涂层试样明显小于镍基合金,预氧化试样略低于真空扩散退火试样。镍基合金腐蚀膜分层且开裂,外层主要是Cr_2O_3及NiO的混合物,其下有不连续的Al_2O_3;真空扩散退火试样的腐蚀膜外层是连续的Al_2O_3,其下是Cr和Ni的氧化物,再下是连续的Y_2O_3;预氧化试样形成了与真空扩散退火试样相似的腐蚀膜,但略薄于真空扩散退火Al Y涂层试样。表面连续Al_2O_3膜及连续的Y_2O_3层的形成,提高了腐蚀膜的保护性和粘附性,不同方法处理的AlY涂层提高了镍基合金的抗热腐蚀性能。