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℃，具有廣闊的市場前景，適用于航空、潛艇、電動氣車、電站和可移動電源等工業(yè)，已成為越來越多的國家和企業(yè)研究的熱點之一。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，無明顯的剝落、孔洞和裂紋等缺陷。通過對所制備涂層在模擬 PEMFC環(huán)境陽極工作電壓（-0.1V）和陰極工作電壓（+0.6V）下的開路電位、交流阻抗、恒電位極化和動電位極化等電化學(xué)測試和界面接觸電阻測試結(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