质子交换膜燃料电池极板及其表面改性研究进展

在质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs）的部件中,双极板是重要组成部分。双极板约占燃料电池成本、质量、体积的40 %、80 %、50 %。传统的PEMFC因为石墨双极板的材料、工艺等问题,造成其体积和质量较大,这增加了汽车的重量,缩小了汽车底盘地可用空间,影响了质子交换膜燃料电池汽车的性能。因此开发体积小、成本低、制备工艺简单的双极板对推进质子交换膜燃料电池的商业化应用具有重要意义。金属双极板因其成本低、力学性能好、导电性、导热性、体积相对易控等特点,在PEMFC领域备受关注。但金属双极板在PEMFC环境中易生成钝化膜,导致其接触电阻增加。因此,如何在提高金属双极板耐蚀性的同时,保持良好的导电性,是当前对PEMFC研究的重点。本文综述了石墨、复合材料和金属双极板制备工艺及表面改性方法。讨论了双极板及其表面碳化物涂层、金属涂层和氮化物涂层的优缺点,并比较了这些涂层在PEMFC环境下的耐腐蚀性和界面接触电阻性能。     

质子交换膜燃料电池金属双极板表面改性研究进展

双极板是质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）的关键部件,对燃料电池的寿命、成本及性能具有重要影响。相比于石墨双极板和碳基复合材料双极板,金属双极板体积小、强度高、导电性能优异,已成为PEMFC双极板的主流材料。然而金属双极板易在PEFMC两极环境中产生腐蚀,且极板表面生成的氧化膜会降低其导电性,严重阻碍了金属双极板的进一步应用。从金属双极板基材选材、涂层结构设计及其性能等方面综述了金属双极板表面改性研究进展,特别探讨了金属双极板金属基涂层（贵金属、金属碳/氮化物、合金等）和碳基涂层（石墨、导电聚合物、无定型碳等）的最新研究成果,从涂层的膜基结合强度、耐蚀性、导电性和疏水性等方面探讨了现有涂层的优劣,涂层结构复合和纳米化有助于提升涂层的致密性,同时可进一步提升涂层导电性和耐蚀性。如何降低金属双极板材料和表面改性成本,提高极板耐蚀性、导电性和可靠性成为双极板研究的趋势,其对PEFMC性能提升和产业化推进具有重大意义。     

质子交换膜燃料电池金属双极板的腐蚀与表面防护研究进展

    双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心多功能部件,占据电池组重量和成本的绝大部分.目前PEMFC双极板材料主要有石墨、金属及相关复合材料.与石墨类材料相比,金属材料在强度、抗气体渗透、规模化生产及加工成薄板以提高电池比功率等方面显示明显优势,但其面临的主要挑战是腐蚀问题,这导致电池性能下降.为此,国内外围绕金属双极板的腐蚀与防护问题开展了广泛研究,并取得了长足进展.本文对此进行了简要评述.     

质子交换膜燃料电池双极板防护涂层研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为第4代发电技术,具有结构紧凑、体积小、能量密度高、效率高、启动快、低温运行以及零排放的绝对优势,被认为是现阶段理想的清洁能源之一,是未来新能源汽车理想的供能部件,受到各国学者的广泛关注。双极板作为PEMFC重要的组成部件之一,不仅能够将单电池串联、并联或是混合联结形成电池堆,起到支撑作用,还能够隔绝阴极、阳极的反应气体,排出电池堆反应产生的热量和水,对PEMFC电池堆的性能至关重要。合适的双极板材料要具有优异的导电性和耐腐蚀性,已成为PEMFC研究领域的一个热点。简述了PEMFC的工作原理以及近年来石墨双极板、金属双极板以及复合双极板的研究情况,指出了PEMFC在工作条件下对金属双极板的性能要求及改性难题。着重对不锈钢双极板的表面涂层改性进行了研究,列举了碳基涂层、金属及其化合物涂层、导电高分子聚合物涂层、疏水涂层等一系列涂层的研究进展和性能,分析对比了它们在PEMFC双极板表面改性中的优缺点。分析结果表明,过渡金属碳、氮化物以及碳/陶瓷复合涂层具有良好的导电性和耐蚀性且成本较低,是当前以及未来的研究热点,同时如何增强涂层与基体的结合力,也是今后双极...     

燃料电池金属双极板冲压成形及减薄率研究

针对不锈钢超薄板冲压件的变形开裂问题，以燃料电池金属双极板为研究对象，首先，根据双极板的功能和特性，设计了一种具备拉延加强结构的可冲压金属双极板，通过CAD软件建立了双极板的三维模型。其次，利用有限元模拟技术，选择初始板料尺寸、压边力、冲压速度以及模具间隙作为成形质量的影响因素，以金属双极板减薄率及增厚率作为优化目标，进行冲压模拟，并给出优化目标随着影响因素的变化规律。同时，分别求解金属双极板成形后的全局减薄率及增厚率，以及双极板关键部位的减薄率，利用极差和方差分析法，得出不同因素对于金属双极板减薄率影响的主次关系。研究结果可为金属双极板的设计与生产提供一定的指导。     

质子交换膜燃料电池双极板的研究现状及展望

质子交换膜燃料电池（PEMFC）除具有燃料电池的一般特点（如能量转化率高、环境友好等）外,同时具有可在室温快速启动、寿命长、比功率和比能量高等特点,已成为世界各国研究热点之一。双极板是PEMFC的关键部件,对其体积、重量、性能等都具有重要影响。目前,国内外有关双极板的研究主要集中在材料和流场设计方面,尤以材料设计为研究重点。本文重点阐述了国内外双极板材料和流场的研究近况,对比分析了不同材料和流场双极板的优缺点,对其应用及发展前景进行了展望。     

质子交换膜燃料电池用不锈钢双极板的腐蚀与表面改性研究进展

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心组件之一,占电池组重量和成本的大部分。不锈钢由于具有强度高、导电、传热性好以及耐腐蚀等优点,因此被作为双极板材料。然而,在PEMF℃环境下,不锈钢会发生腐蚀并且表面会产生高电阻钝化膜,从而降低电池性能。为此,国内外研究者对不锈钢双极板的腐蚀与表面处理展开了广泛的研究,本文对此进行了详细阐述。     

燃料电池金属双极板精密成形技术研究和发展

首先对国内外关于金属双极板的材料选择进行了概述,然后对已有的各种精密成形工艺的选材、生产原理和特点进行了详细介绍,在此基础上提出了塑性成形作为一种生产效率高、零件机械力学性能好的生产工艺是金属双极板成形技术将来的发展方向。     

质子交换膜燃料电池双极板化学镀Ni-Cu-P表面改性

针对不锈钢作为燃料电池双极板存在的接触电阻高等问题,通过化学镀Ni-Cu-P对其进行表面改性,采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)分析、界面接触电阻测试和模拟燃料电池环境腐蚀性能试验等方法,研究了表面改性对不锈钢双极板性能的影响。结果表明,经过化学镀Ni-Cu-P处理的双极板接触电阻大为降低,并且在模拟质子交换膜电池腐蚀环境下耐腐蚀性能得到较大提高。     

PEMFC金属双极板成形工艺分析及数值模拟

为寻求一种操作成本低,容易批量生产的金属双极板加工方法,把级进模冲压成形工艺应用于制造具有8条微小平行沟槽的质子交换膜燃料电池金属双极板,分析了制件的冲压成形工艺,给出了合理的排样图,利用DYNAFORM有限元方法模拟分析了关键的工艺步骤,模拟结果表明利用级进模冲压成形工艺制造0.1 mm厚SS304不锈钢双极板是可行的。提供了制造金属双极板的可行性解决方案,该方案具有一定的柔性和通用性。     

Plain carbon steel bipolar plates for PEMFC

Bipolar plates are a multifunctional component of PEMFC. Comparing with the machined graphite and stainless steels, the plain carbon steel is a very cheap commercial metal material. In this paper, the possibility of applying the plain carbon steels in the bipolar plate for PEMFC was exploited. In order to improve the corrosion resistance of the low carbon steel in the PEMFCs' environments,two surface modification processes was developed and then the electrochemical performances and interfacial contact resistance (ICR) of the surface modified plate of plain carbon steel were investigated. The results show that the surface modified steel plates have good corrosion resistance and relatively low contact resistance, and it may be a candidate material as bipolar plate of PEMFC.     

不锈钢双极板电弧离子镀Cr1-xNx薄膜改性研究

用电弧离子镀方法在质子交换膜燃料电池(PEMFC)不锈钢双极板表面沉积一系列Cr_(1-x)N_x(x=0.28—0.50)改性薄膜,对薄膜的成分、相组成以及改性双极板的导电、耐蚀等性能进行了分析测试.结果表明,双极板的导电与耐蚀性能因沉积Cr_(1-x)N_x薄膜而显著提高,并且与薄膜的成分和相组成密切相关:当x值从0.28增加到0.50,薄膜由Cr+Cr_2N转变为Cr_2N,再转变为Cr_2N+CrN,最终变为CrN;当薄膜由单相组成时,双极板既导电又耐蚀、综合性能最好,与原始不锈钢相比,导电性能提高2个数量级以上,而耐蚀性能提高近3个数量级.     

Surface stability and conductivity of a high Cr and Ni austenitic stainless steel plates for PEMFC

In order to use stainless steel as bipolar plate for PEMFC, electrochemical behavior of a high Cr and Ni austenitic stainless steel was studied in the solutions containing different concentration of H2SO4 and 2 mg·L-1 F-, and interfacial contact resistance was measured after corrosion tests. The experimental results show that the passive current density lowers with decreasing the concentration of H2SO4. The interfacial contact resistance between carbon paper and passive film formed in the simulated PEMFC environment is higher than the goal of bipolar plate for PEMFC. Surface conductivity should be further reduced by surface modification.     

Surface modification by carbon ion implantation for the application of ni-based amorphous alloys as bipolar plate in proton exchange membrane fuel cells

Ni-based amorphous alloys with surface modification by carbon ion implantation are proposed as an alternative bipolar plate material for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). Both Ni₆₀Nb₂₀Ti₁₀Zr₁₀ alloys with and without carbon ion implantation have corrosion resistance as good as graphite as well as much lower contact resistance than 316L stainless steel in the PEMFC environment. The formation of conductive surface carbide due to carbon ion implantation results in a decrease in the contact resistance to a level comparable to that of graphite. This combination of excellent properties indicates that carbon ion implanted Ni-based amorphous alloys can be potential candidate materials for bipolar plates in PEMFCs.     

Poly(m‐phenylenediamine)‐coated 316L SS: A promising material for bipolar plates in PEMFC environment

The applicability of conducting polymer coatings to enhance corrosion resistance of bipolar plates in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) is gaining greater significance as electrical conductivity is as important as corrosion resistance. Metaphenylenediamine (mPD) monomer was electropolymerized to poly(m‐phenylenediamine) (PmPD) conducting polymer over 316L SS and characterized by attenuated total reflectance infrared spectroscopy to confirm the formation of P mPD polymer. Scanning electron microscopy was used to study the surface morphology of the polymer. Open‐circuit potential, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and potentiodynamic polarization studies were conducted to assess the corrosion protection performance of the PmPD polymer coating in PEMFC environment. The charge‐transfer resistance measured from EIS for the coated substrates was higher than the uncoated substrate. Potentiodynamic polarization studies showed lower corrosion current density for the PmPD‐coated substrates. All the results proved that the PmPD‐coated substrates could exhibit enhanced corrosion resistance in PEMFC environment.