钝化316 lss Ag)涂层的腐蚀行为作为质子交换膜燃料电池双板

文摘

一种新的化学钝化技术,包含20 g / L过氧化氢,3.75 g / L硅酸钠,1.25 g / L碳酸钠,3.75 g / L乳酸和8 -羟基喹啉,0.75 g / L是用来修改316不锈钢与Ag)涂层(制备316 ss)质子交换膜燃料电池双盘子。结果表明,得到致密钝化膜的表面制备316党卫军。钝化过程不仅可以增加接触角(从来),但也减少了制备316 ss针孔缺陷。电化学测试显示钝化过程可以降低制备316 ss的双层电容(),并增加其电荷转移电阻。所以,它提供了重要的腐蚀防护制备316 ss在质子交换膜燃料电池的环境中。

1。介绍

由于其效率高、高功率密度、低温操作,快速和容易启动,等等,质子交换膜燃料电池(PEMFC)是获得全球利益1,2]。但是,昂贵的成本限制了其使用在大型市场3]。双极板在质子交换膜燃料电池系统是最昂贵的部件之一。广泛使用的双极板材料是石墨和石墨化合物(4- - - - - -6]。高成本和脆性的石墨双板限制大规模应用程序。因此,许多研究人员致力于研究替代材料包括碳复合材料、光金属材料(7- - - - - -10),Fe-based合金、不锈钢(11,12),和镍基材料(13- - - - - -15]。在这些替代材料,不锈钢是一种很有前途的候选人由于其机械强度高,成本低,容易在大规模生产。

戴维斯et al。16]证明燃料电池性能提高铬和镍双相不锈钢板增加的内容。布雷迪et al。17]提议使用氮化铬层降低不锈钢的腐蚀双板和取得可喜的成果18,19]。基于这些结果,许多研究人员调查的特点,双相不锈钢板与铬或铬复合涂料(13,20.- - - - - -27]。虽然似乎与铬不锈钢膜或硬质合金涂层28,29日)已经承诺为质子交换膜燃料电池双相材料板,一些公司在燃料电池堆栈使用它们作为双极板直到现在。相反,双相不锈钢板与贵金属涂层仍最合适的材料考虑耐蚀性和导电性。例如,风能等。30.)表明,316 l双板的性能与黄金类似于石墨涂层。王等人也证实,燃料电池性能的镀金双极板钛比石墨和纯钛双极板(9]。双相钛板的特点与氧化铱、铂涂层接近石墨双板(31日]。Yoon et al。32]304 ss的特点,评估310党卫军,和316 ss与不同的涂料,包括黄金(2 nm, 10 nm, 1μ米)、钛、锆、氮化锆(ZrN)锆铌(ZrNb)和氮化锆金涂层(ZrNAu)。结果表明,样品用相对厚金涂料(> 10海里)Zr涂料满足美国能源部(美国能源部)目标接触电阻和耐蚀性。然而,贵金属涂层的高成本限制其应用。因为银是一种相对低成本的贵金属材料,电解沉积Ag)、传统的表面处理技术,适用于保护的新型双相不锈钢板。Ag)涂层对金属双板没有足够可行由于针孔缺陷,这很容易腐蚀,从而破坏整个保护膜。没有缺陷的涂层,方法必须追求减轻针孔缺陷的存在。

在我们的研究中,一种新的化学钝化技术是减少缺陷,开发制备316 ss双极板(原BP)和改善其耐蚀性。同时,双板的电化学特性、表面接触角、界面电导,地形也被调查。

2。实验

2.1。316 ss Ag)涂层的化学钝化

制备316 ss双极板(原始的英国石油公司,200×350×1毫米)由日出电力有限公司有限公司(中国大连)。样本切成30×40×1毫米厚片。在使用之前,样本与丙酮脱脂超声波浴12分钟,干用氮气,然后用10%的硫酸溶液蚀刻5分钟,在去离子水冲洗。最后,对待样本放入nonchromium钝化溶液5分钟,这是由20 g / L过氧化氢,3.75 g / L硅酸钠,1.25 g / L碳酸钠,3.75 g / L乳酸和8 -羟基喹啉。0.75 g / L优化温度是30°C。然后,样品在去离子水冲洗,沉浸在热水在50°C 1分钟,并与热空气干燥。钝化的双相板(被动BP)获得和存储在干燥器中。

2.2。表面形态

原来的英国石油公司BP和被动观察显微照相用Nano-scope iii a原子力显微镜(AFM、数字仪器)。使用液滴接触角测量方法Dataphysics亚奥理事会20接触角分析仪。超纯水的下降大小是1μL避免体重的效果。数字图像通过图像分析处理系统,计算左和右接触角下降的形状与精度±0.1°。

2.3。电化学测试

普林斯顿应用研究进行电化学测量设备(VMP3)。这个过程是由EC-Lab控制软件。普林斯顿扁平细胞用于电化学实验。工作电极是原来英国石油(BP)和被动BP与接触面积1厘米²。铂金网格作为反电极和参比电极是饱和甘汞电极(SCE、饱和氯化钾)。解决方案用于电化学测试为0.5摩尔·L⁻¹H₂所以₄+ 2 ppm F⁻。为了模拟质子交换膜燃料电池的阳极和阴极环境,放入一定量的试样后都洋溢着纯氢气(H₂)2 h与空气和1 h,分别。电化学阻抗谱(EIS)是在5 mV ac的开路电位扰动控制100 kHz和0.01赫兹之间。样品是稳定的(OCP 1 h,然后从(OCP极化与扫描速率1 mVs正方向⁻¹。为了研究被动BP在质子交换膜燃料电池的稳定操作条件下,电压稳定器的测试是由模拟阳极和阴极条件,分别。是遵循的操作条件。在模拟阴极条件,样品极化在0.6 V与空气净化解决方案。,在阳极的环境中,这是极化−0.1 V的溶液净化与H₂。所有测试在80°C。

3所示。结果与讨论

3.1。表面形态

图1代表了AFM的原始BP和被动的英国石油公司。从图1样品表面的垂直高度,降低了从200纳米到100纳米以下后钝化。与原始的英国石油公司相比,被动BP是平滑的表面虽然表面上有褶,也许来自316 ss矩阵。同时,Ag)颗粒之间的间隙和Ag)颗粒表面被大幅减少被动的英国石油公司。即nonchromium钝化减少原BP的针孔缺陷。

3.2。接触角和接触电阻

原始接触角的BP和被动BP如图2。接触角对前者和后者58°、104°,分别。后者比前者表明更多的疏水性。在质子交换膜燃料电池系统中,为了防止质子交换膜脱水,需要湿润的入口气体。与此同时,电化学反应可以产生水。所以在质子交换膜燃料电池系统退出了许多水。维持高功率输出,产生的液态水包括湿润和水,将洪水膜电极组装(MEA),必须清除。因为水是很难坚持疏水双相板,使用疏水性双极板不仅是有益的对水资源管理,也对减少腐蚀的弱酸性溶液。从图2,原BP钝化后由亲水性变为疏水性。双极板表面的能量是降低了。很明显,部分疏水表面板材料可能更有利于把水从气体扩散层(GDL)和减少腐蚀的弱酸性溶液。

质子交换膜燃料电池的输出功率与它的内部阻力。双极板之间的接触电阻和内部阻力的发挥了重要作用。图3说明原BP和被动的接触电阻与东丽复写纸BP。如今,紧凑的范围0.8 - -1.2 MPa压力通常是应用于质子交换膜燃料电池堆栈。所以0.8 - -1.2 MPa之间接触电阻的数据记录。从图3,最初的接触电阻BP 6.20×10的范围⁻³−5.64×10⁻³Ω厘米⁻²。原BP钝化时,其接触电阻是6.57×10⁻³−6.09×10⁻³Ω厘米⁻²。被动英国石油公司是一个小的接触电阻比原始的英国石油(BP)在紧凑的压力超过1.0 MPa。自从接触电阻增加约4.00×10⁻⁴Ω厘米⁻²,原BP的钝化过程可能不会导致降低质子交换膜燃料电池的输出功率。

3.3。电化学特性

3.3.1。开路电位((OCP)

图4说明了样本(OCP与时间的曲线模拟质子交换膜燃料电池环境。原BP钝化后,其(OCP值从0.12 V至0.23 V模拟增加阴极的环境,和稳定值,约0.23 V,尽快得到这是沉浸在30分钟的测试解决方案,而该值从0.13 V至0.25 V增加阳极环境。自同构和紧凑的钝化层表面形成原始的英国石油公司,它(OCP朝着积极是否沉浸在模拟阴极或阳极环境。

3.3.2。Potentiodynamic极化曲线和EIS

Potentiodynamic极化曲线的原始的英国石油公司BP有图和被动5。无论是在阳极或阴极环境,被动BP的电流密度是小于原来的英国石油公司。例如,当极化潜力为0.4 V,在阴极环境中,极化电流密度对原BP和被动马BP 0.593厘米⁻²和4.44×10⁻²马厘米⁻²,分别。原BP的电流密度下降约两个数量级的钝化过程,而相应的值是0.296厘米⁻²和2.27×10⁻³马厘米⁻²分别在阳极的环境中。电流密度降低了两个数量级。

图6呈现的阻抗谱尼奎斯特图原BP和被动BP PEMFC模拟环境。从图6,被动BP的电容比原BP是否在阴极阳极环境或环境。基于Takenouti等效电路模型的模型(33)如图7。图7(一)原来是英国石油(BP)和图吗7 (b)是被动的英国石油公司。图中展示的元素如下所示。解决方案是参比电极和对电极之间的电阻;和表示通过钝化膜电容和电渗漏;和代表了电容和漏电的离子传导Ag)电影,分别。和对应双层电容的电荷转移电阻。比较原始的英国石油公司,和归因于钝化膜,出现在等效电路(图7 (b))。因为相同的腐蚀溶液和原来的英国石油公司使用,,,原BP和被动BP似乎彼此相似。所以原BP的钝化导致显著的效果,双电层的特点。EIS数据安装使用ZsimpWin软件(EG&G)总结在表1。原BP钝化后,其双层电容(从6.82×10)下降⁻⁴F厘米⁻²2.74×10⁻⁷F厘米⁻²在阴极的环境中,而它的电荷转移电阻()增加从2.75×10³Ω厘米²1.64×10⁶Ω厘米²。在阳极环境,相应的值降低5.32×10⁻⁵F厘米⁻²2.72×10⁻⁷F厘米⁻²,它的增加从1.17×10³Ω厘米²4.46×10⁴Ω厘米²。减少和增加的和暗示致密钝化膜形成从表面上看,这意味着钝化过程提供重要的腐蚀防护。

3.3.3。恒电位极化曲线

在质子交换膜燃料电池的操作环境中,双板材料的主要问题是其防腐特性和稳定性。恒电势的测试进行了研究腐蚀行为的双极板在实际模拟质子交换膜燃料电池的工作状态。结果见图8。在阴极条件、原BP的电流密度和被动BP随浸泡时间延长逐渐递减。在6000秒内没有区别。6000秒后,电流密度对被动BP不断降低和稳定值,约2.30×10⁻²马厘米⁻²,获得,而最初的BP是约3.00×10⁻²马厘米⁻²。在阳极条件,两个双极板电流密度在2000秒内迅速下降。然后,他们达到稳定值,1.92×10⁻³一个厘米⁻²原BP和6.70×10⁻⁴一个厘米⁻²分别为英国石油(BP)的被动。结果表明,钝化过程能减少双板的腐蚀速率模拟质子交换膜燃料电池的操作条件。因为大量的氢离子被包含在模拟阳极操作条件,及其半径很小,它可以很容易地通过整个的针孔缺陷和Ag)的电影。双极板钝化时,缺陷和针孔是减少和Ag)电影变得紧凑。作为一个整体,我们可以得出这样的结论:钝化过程可以改善原BP的耐蚀性。其长期效应在未来工作需要进行。

4所示。结论

一种新的化学钝化技术被用来修改制备316 ss作为质子交换膜燃料电池双盘子。结果表明,得到致密钝化膜的表面制备316党卫军。钝化过程不仅可以增加原BP的接触角,有利于水资源管理,而且降低表面粗糙度,降低Ag的针孔缺陷的涂层。电化学测试证实了钝化过程减少双板的双层电容(),增加了电荷转移电阻。它提供了重要的腐蚀防护316 ss在质子交换膜燃料电池环境Ag)涂层。

确认

这项工作是财务支持的中国国家高科技研究发展计划(863计划,没有。2009 aa05z120)。工作还支持大连海事大学的青年教师项目(dlmu - zl - 200720)。

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