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鈦金屬雙極板的腐蝕性能?

發(fā)布時(shí)間:2022-10-10 09:35:34訪問數(shù)量:1224

金屬材料的耐腐蝕性能較差,滿足不了燃料電池長期運(yùn)行的需要,表面純化膜會(huì)增大雙極板與膜電極擴(kuò)散層間的接觸電阻,這對(duì)雙極板及電池可能造成多種不利影響:一是金屬雙極板的腐蝕穿孔使雙極板兩側(cè)的氧化劑和燃料發(fā)生混合產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn);二是金屬溶解(特別是在電池陽極側(cè))產(chǎn)生的金屬離子擴(kuò)散到達(dá)電極,與質(zhì)子交換膜進(jìn)行離子交換,降低膜內(nèi)通量與離子電導(dǎo)率,使歐姆般化作用增強(qiáng),從而使電池總體性能下降,同時(shí)金屬離子可能影響催化劑的性能;三是金屬表面易于形成鈍化膜(特別是在電池陰極一側(cè)),鈍化膜本身導(dǎo)電性差,同時(shí)也顯著增大了雙極板與電他擴(kuò)散層的接觸電阻,最終增大了電池內(nèi)阻,降低電池輸出性能。顯然,就金屬雙極板材料選擇而言,除考慮成本外,其核心關(guān)鍵是如何平衡金屬材料的耐蝕與導(dǎo)電性能。不銹鋼雙極板在陰極氧化性氣筑下表面會(huì)形成一層具有電子導(dǎo)電性的氧化膜(不超過10nm),它可以依靠導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶中的空穴流過電子電流,而離子電流卻很難通過,同時(shí)這層氧化膜本身在溶液中的溶解速率很小。因此能夠阻止極板合金元素溶解。但這種膜具有半導(dǎo)體性質(zhì),其厚度在陰極氧化性氣氛下的增加會(huì)增大該側(cè)的接觸電阻。在陽極的還原性氣飆下,不銹鋼雙極板常不能形成保護(hù)性氧化膜,腐蝕會(huì)導(dǎo)致金屬以離子的形式溶解在溶液中或生成導(dǎo)電性較差的腐蝕產(chǎn)物吸附在金屬表面。Wang9等發(fā)現(xiàn)在模擬燃料電池雙極板工作環(huán)境下,陰極側(cè)的鈍化膜厚度明顯高于陽極側(cè)的鈍化膜。金屬雙極板表面形成的氧化物膜增大了電池的內(nèi)阻,而且極板表面氧化膜在電池運(yùn)行過程中的不斷加厚使電池不能穩(wěn)定運(yùn)行:另外表面電阻會(huì)影響夾持極板的力,電阻越大,所需夾持力越大。陽極側(cè)金屬的微量腐蝕溶解會(huì)污染催化劑和質(zhì)子交換膜,導(dǎo)致催化劑活性和質(zhì)子交換膜的離子導(dǎo)電性下降。

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根據(jù) Davies 側(cè)等的觀點(diǎn),增加合金中的鎳和絡(luò)的含量有助于減小合金表面鈍化膜的厚度,提高電池性能,但這無疑會(huì)增加雙極板的成本,因此鎳基合金不具商業(yè)化應(yīng)用前景;與不銹鋼、鎳基合金相比,輕金屬雙極板如鋁、鈦雙極板在提高 PEMFC 比功率方面具有明顯的優(yōu)勢。鈦在電池陰、陽極環(huán)境中均具有優(yōu)異的耐蝕性能例,但其突出問題是表面形成絕緣的鈦氧化膜。 La 等人以 TiC 為主要材料制備鈦合金雙極板,結(jié)果表明,此種鈦金屬雙極板在工作電位范圍內(nèi)具有長期的熱穩(wěn)定性租良好的力學(xué)性能,而其電導(dǎo)率可達(dá)到普通石墨的5倍,但用這種材料制作雙極板會(huì)大大提高 PEMFC 的制造成本。而 AI 及其合金則在 PEMFC 環(huán)境中的活性較高,必須施加表面防護(hù)涂層。不銹鋼富含 Cr 、 Ni 等金屬,其表面的氧化膜在燃料電池中可有效保護(hù)合金。


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