直接甲酸燃料电池316L不锈钢双极板性能研究--《大连海事大学》2016年硕士论文
直接甲酸燃料电池316L不锈钢双极板性能研究
【摘要】：直接甲酸燃料电池作为新兴的高效清洁能源技术,由于其燃料甲酸具有无毒、不易燃、电化学氧化性能好、Nafion膜渗透率低等优点,正受到越来越多的关注。目前对于直接甲酸燃料电池的研究主要集中在阳极催化剂的制备和载体的选择,然而,甲酸的强腐蚀性对双极板性能的影响却鲜有报道。本文探索了 316L不锈钢作为直接甲酸燃料电池双极板的电化学性能及恒电位极化前后的接触电阻,同时对316L不锈钢进行表面改性,以提高其在直接甲酸燃料电池工作环境中的电化学性能。主要工作和结果如下:1.在 50℃,0.05 mol/L H_2SO_4 + 2 ppm HF + x mol/L HCOOH(x= 2,5,10,15 mol/L)的模拟DFAFC阳极环境和50℃,0.05 mol/L H_2SO_4 + 2 ppm HF通入空气模拟DFAFC阴极环境中,对316L不锈钢进行电化学测试,并测量恒电位极化前后的接触电阻,316L不锈钢的接触电阻值达到550.2 mΩ·cm~2。2.采用等离子表面合金化技术在316L不锈钢表面制备出了铌和铌氮化物的合金化渗扩改性层。得到的改性层均匀致密,没有微孔、裂纹等缺陷,实现了与基体良好的冶金结合。在模拟DFAFC环境中,上述改性层均提高了 316L不锈钢的耐腐蚀性,降低了腐蚀电流密度和接触电阻,表现出较好的稳定性。其中铌改性层和铌氮化物改性层使得316L不锈钢基体的接触电阻分别下降到25.9 mΩ·cm~2和7.2 mΩ·cm~2。
【关键词】：
【学位授予单位】：大连海事大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2016【分类号】：TM911.4【目录】：
摘要5-6ABSTRACT6-9第1章 绪论9-19 1.1 引言9-11
1.1.1 燃料电池的特点9-10
1.1.2 燃料电池的分类10-11 1.2 直接甲酸燃料电池11-13
1.2.1 直接甲酸燃料电池的发展概述11-12
1.2.2 直接甲酸燃料电池的基本结构和工作原理12-13
1.2.3 直接甲酸燃料电池的研究方向13 1.3 直接甲酸燃料电池双极板13-18
1.3.1 双极板的功能及要求13-14
1.3.2 双极板材料的选择14-16
1.3.3 不锈钢双极板的研究进展16-18 1.4 本论文的立题思想与主要研究内容18-19第2章 实验内容及方法19-27 2.1 实验仪器及材料19-20 2.2 实验材料的制备20-22
2.2.1 试样基板的制备20-21
2.2.2 DFAFC模拟腐蚀环境的选择21
2.2.3 等离子表面合金化渗扩改性层的制备21-22 2.3 双极板性能的研究方法22-26
2.3.1 电化学性能测试22-24
2.3.2 表面接触电阻测试24-26 2.4 分析技术26-27
2.4.1 X射线衍射分析26
2.4.2 形貌分析及元素能谱分析26-27第3章 316L不锈钢在模拟DFAFC环境中的腐蚀行为研究27-34 3.1 316L不锈钢在模拟动态DFAFC阳极环境中的电化学规律27-30
3.1.1 动电位极化曲线27-28
3.1.2 恒电位时间电流密度曲线28-30 3.2 316L不锈钢在模拟DFAFC阴极环境中的电化学规律30-31
3.2.1 动电位极化曲线30
3.2.2 恒电位时间电流密度曲线30-31 3.3 316L不锈钢在模拟DFAFC环境中的表面导电性31-32 3.4 本章小结32-34第4章 表面渗铌316L不锈钢在模拟DFAFC环境中的性能34-45 4.1 316L不锈钢表面铌改性层的分析34-38
4.1.1 铌改性层XRD分析34-35
4.1.2 铌改性层的表面形貌35
4.1.3 铌改性层的截面形貌及能谱分析35-38 4.2 Nb-316L不锈钢耐腐蚀性研究38-42
4.2.1 动电位极化曲线38-40
4.2.2 恒电位时间电流密度曲线40-42 4.3 Nb-316L不锈钢表面导电性研究42-44 4.4 本章小结44-45第5章 表面渗铌氮化物316L不锈钢在模拟DFAFC环境中的性能45-57 5.1 316L不锈钢表面铌氮改性层的分析45-49
5.1.1 铌氮改性层XRD分析45
5.1.2 铌氮改性层的表面形貌及能谱分析45-48
5.1.3 铌氮改性层的截面形貌及能谱分析48-49 5.2 Nb-N 316L不锈钢耐腐蚀性研究49-54
5.2.1 动电位极化曲线49-52
5.2.2 恒电位时间电流密度曲线52-54 5.3 Nb-N 316L不锈钢表面导电性研究54-56 5.4 本章小结56-57结论57-58参考文献58-61致谢61
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京公网安备75号304不锈钢表面Cr-N涂层制备及耐磨耐腐性能研究
304不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢，作为一种用途广泛的钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性，但也具有硬度低、耐磨性差、钝化层影响导电性、氢脆和间隙腐蚀的缺点。而氮化铬涂层具有良好的硬度、耐磨、耐蚀及抗高温氧化性等性能，同时它还具有优良的热和电传导性能，对材料表面起到很好的机械及化学保护作用，因而在304不锈钢表面进行Cr-N涂层的制备可以有效的提高304不锈钢的耐磨、耐腐蚀性能。无论作为摩擦件或质子交换膜燃料电池(PEMFC)的金属双极板材料，都可以有助于提高304不锈钢的通用性、实用性和经...展开
304不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢，作为一种用途广泛的钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性，但也具有硬度低、耐磨性差、钝化层影响导电性、氢脆和间隙腐蚀的缺点。而氮化铬涂层具有良好的硬度、耐磨、耐蚀及抗高温氧化性等性能，同时它还具有优良的热和电传导性能，对材料表面起到很好的机械及化学保护作用，因而在304不锈钢表面进行Cr-N涂层的制备可以有效的提高304不锈钢的耐磨、耐腐蚀性能。无论作为摩擦件或质子交换膜燃料电池(PEMFC)的金属双极板材料，都可以有助于提高304不锈钢的通用性、实用性和经济性.　　本文采用射频反应磁控溅射的实验方法在磨光304不锈钢基片及氮化不锈钢基片上制备本多晶Cr-N涂层。通过SEM、XRD、显微维氏硬度计、接触角测量仪以及金相显微镜对涂层进行表征，通过摩擦磨损试验机和电化学腐蚀设备研究了不同衬底以及工艺参数（氮气流量）对涂层耐磨性能和Cr2N涂层对氮化304不锈钢耐腐蚀性能的影响。结论如下：　　(1)关于Cr-N涂层的制备，随着氮气流量的增加，晶粒由三棱锥结构向胞状颗粒结构转变，涂层表面团聚颗粒尺寸有减小的趋势，Cr-N涂层由Cr与Cr2N两相向单相Cr2N再向Cr2N与CrN双相结构转变，当氮气流量继续增加后，由单相CrN组成。　　(2)关于Cr-N涂层的耐磨性能，在Ar28N2、Ar25N5和Ar18N12三种气氛条件下，在氮化304不锈钢上制备的涂层耐磨性能相比在磨光不锈钢上的有所提高。其中在氮化不锈钢上，Ar18N12气氛条件下制备的CrN涂层，摩擦系数0.58，相比之下有了一定幅度提高，而且磨痕较窄，其耐磨性能最佳。　　(3)关于Cr-N涂层的耐腐性能，基于动态电位极化腐蚀测试结果，在通入H2和O2的环境中，腐蚀电阻大小分别是Cr2N＞304不锈钢裸片和304不锈钢裸片＞Cr2N。静态电位极化腐蚀测试显示在模拟阳极条件中，304不锈钢（Cr2N涂层）展现了比304不锈钢裸片低的极化电流密度，但是随着时间增长，电流密度变高了，因为腐蚀已经在微孔洞区域开始了。在模拟阴极环境中，由于在微孔洞区域的不锈钢基底已经发生钝化，因此提供了高的腐蚀保护，在涂层中的微孔洞的负面影响变小了。304不锈钢样片（Cr2N涂层）和304不锈钢裸片显示了相似的腐蚀电流密度值。本实验磁控溅射所制备的Cr2N涂层样片，由于有着更好的腐蚀电阻，可以替代不锈钢裸片，作为一种双极板材料。收起
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