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文檔簡介
1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)可以直接將氫能轉(zhuǎn)化成電能,具有清潔、高效和能源可再生的優(yōu)勢,有望應(yīng)用于汽車、固定電站和航空航天等領(lǐng)域。雙極板支撐電堆骨架并分配反應(yīng)氣體流場,是PEMFC的核心部件之一?;跊_壓成形的金屬雙極板加工效率高、價(jià)格低廉、厚度超薄,已成為降低燃料電池制造成本的優(yōu)選方式。然而,金屬極板在燃料電池高溫、高濕和酸性環(huán)境下的腐蝕現(xiàn)象影響極板壽命;同時極板表面產(chǎn)生的鈍化層又增大接觸電阻,降低電池效率。迫切需要對金屬極板進(jìn)行
2、表面改性,使其兼顧耐蝕性和導(dǎo)電性,為燃料電池金屬極板應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
本文基于非平衡磁控濺射離子鍍(CFUBMSIP)技術(shù)開發(fā)了燃料電池金屬極板鉻碳摻雜氮化鈦膜系,研究了鍍膜工藝參數(shù)對鍍層性能影響規(guī)律。首先,以氮化鈦?zhàn)鳛榛A(chǔ)膜系,通過單因素實(shí)驗(yàn)方法研究了濺射偏壓和OEM值對鍍層性能的影響規(guī)律,進(jìn)而基于正交實(shí)驗(yàn)方法獲得優(yōu)選工藝參數(shù),制備了優(yōu)化的氮化鈦膜。其次,考慮鉻元素的耐蝕性和碳元素導(dǎo)電性,設(shè)計(jì)并制備鉻碳梯度涂層,實(shí)驗(yàn)研究鉻碳涂
3、層的耐蝕性和導(dǎo)電性,并通過物相分析揭示鉻碳膜的耐蝕和導(dǎo)電機(jī)理。最后,分別研究鉻元素、碳元素以及鉻碳共同摻雜下氮化鈦膜的性能,通過物相分析解釋元素?fù)诫s對基礎(chǔ)膜系性能的影響規(guī)律,獲得燃料電池金屬極板鉻碳摻雜氮化鈦膜最優(yōu)工藝參數(shù)和成分配比。論文主要研究工作如下:
1)燃料電池金屬極板氮化鈦膜實(shí)驗(yàn)研究
基于氮化鈦膜與不銹鋼金屬極板具有良好的結(jié)合性能,采用單因素分析方法研究了濺射偏壓在30V-90V區(qū)間,OEM在45%-75%
4、區(qū)間的氮化鈦膜性能,獲得了濺射偏壓和OEM值對鍍層性能的影響規(guī)律。以此為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了三因素三水平正交實(shí)驗(yàn),依據(jù)能譜分析結(jié)果,借助Minitab軟件討論工藝參數(shù)對鍍層成分的影響,獲得了工藝參數(shù)對氮化鈦膜中原子百分比和質(zhì)量百分比的均值響應(yīng)表和均值主效應(yīng)圖。進(jìn)而研究工藝參數(shù)對膜厚、結(jié)合力、耐腐蝕能力、導(dǎo)電性能的影響,獲得氮化鈦膜優(yōu)化的鍍膜時間、濺射偏壓、OEM值等工藝參數(shù)。
2)鉻碳膜耐腐蝕和導(dǎo)電性能研究
考慮鉻元素的耐蝕
5、性和碳元素導(dǎo)電性,設(shè)計(jì)了燃料電池金屬極板鉻碳梯度涂層,開展了工藝實(shí)驗(yàn),研究了不同鉻靶和碳靶電流比例對鉻碳膜的性能影響。發(fā)現(xiàn)隨著鉻靶電流的增大,鉻碳膜的耐蝕性和導(dǎo)電性逐漸下降。同時,針對不銹鋼表面鉻碳涂層開展掃描電鏡、物性結(jié)構(gòu)XRD和化學(xué)價(jià)態(tài)XPS分析,建立了鍍層成分和物相結(jié)構(gòu)與鍍層性能的對應(yīng)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)鉻碳鍍層中鉻元素的引入使得膜的耐腐蝕能力得到增強(qiáng),而石墨相含量的增加則決定了膜的導(dǎo)電性能的提高。與氮化鈦膜的性能比較,鉻碳膜在耐蝕性和導(dǎo)電
6、性方面具有較好的性能,為本文的鉻碳摻雜氮化鈦膜奠定了理論基礎(chǔ)。
3)鉻碳摻雜的氮化鈦膜物性研究與性能優(yōu)化
在上述氮化鈦和鉻碳膜系研究基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)鉻碳摻雜的氮化鈦膜層結(jié)構(gòu),開發(fā)鉻碳摻雜的氮化鈦工藝方法。分別研究鉻元素、碳元素以及鉻碳共同摻雜下氮化鈦膜的性能,通過物相分析解釋元素?fù)诫s對基礎(chǔ)膜系性能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)摻雜碳元素后,所得的鈦氮碳膜的耐腐蝕性能有所提高但導(dǎo)電性能下降,主要由于鈦氮碳膜中沒有出現(xiàn)無定形碳,而是出現(xiàn)了
7、少量新的物相CNx;摻雜鉻元素后,鉻鈦氮膜耐腐蝕能力和導(dǎo)電性能均得到較大的提高,其中2A時,Tafel腐蝕電流達(dá)到了4.08 e-8 A cm-2,接觸電阻值在1.5MPa時為2.3 mΩcm2;同時摻雜鉻碳元素后,膜變成絕緣物質(zhì),XRD結(jié)果表明膜成分中出現(xiàn)了C-N物相結(jié)構(gòu),導(dǎo)致了膜的絕緣。因此,針對燃料電池金屬雙極板應(yīng)用,在氮化鈦膜中加入少量的鉻元素,膜的性能有很大提高,碳元素不適合摻入氮化鈦膜中。
本文圍繞燃料電池金屬極板
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