不锈钢双极板在质子交换膜燃料电池冷却水中的腐蚀研究

摘要

质子交换膜燃料电池是将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置，具有能量转化效率高、环境友好、室温快速启动、无电解液流失等优点，因此在可移动电源、固定电站及交通运输等方面具有广阔的应用前景。双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，具有支撑膜电极、均匀分布反应气体、集流导电、排出反应区生成水以及散热等重要功能。不锈钢被认为是较为理想的质子交换膜燃料电池双极板材料，这是由于不锈钢具有优良的导电导热性、良好的机械性能、较好的气密性、易于加工以及成本低廉等优点。目前不锈钢双极板研究的热点问题之一是其在质子交换膜燃料电池反应区的腐蚀问题，而不锈钢双极板在循环冷却水中的腐蚀问题却几乎没有研究。基于此，本论文根据质子交换膜燃料电池的基本结构及工作原理，提出了不锈钢双极板在质子交换膜燃料电池循环冷却水中的腐蚀机理；研究了纯净去离子水在质子交换膜燃料电池循环过程中的变化规律；通过一系列的实验重点研究了304不锈钢板在质子交换膜燃料电池循环冷却水中的腐蚀行为；探讨了304不锈钢板在质子交换膜燃料电池循环冷却水的腐蚀行为与电压、时间的关系。主要有以下结论：
　　（1）采用电导率为0.42uS?cm-1的纯净去离子水作为质子交换膜燃料电池电堆的冷却水，当其在电堆中循环30min时，循环冷却水的电导率增大到47uS?cm-1。耦合等离子体发射光谱仪测试结果显示循环冷却水中含有大量的金属元素，如 Ca、K、Na、Zn、Mg、Fe等。这表明纯净去离子水在质子交换膜燃料电池电堆循环过程中会受到污染，掺入多种杂质离子，导致循环冷却水的电导率增大。
　　（2）电化学测试结果表明304不锈钢板在纯净去离子水中的电流较小，说明304不锈钢板在纯净去离子水中的电化学稳定性较好。但是304不锈钢板在循环冷却水中的电流较大，说明304不锈钢板在循环冷却水中的电化学稳定性较差，容易发生腐蚀。
　　（3）利用电解腐蚀实验研究了304不锈钢板在循环冷却水中的腐蚀行为。在电压的作用下，304不锈钢板在循环冷却水中会发生腐蚀现象。阳极、阴极不锈钢板表面均产生较多的气泡，阳极不锈钢板出现了溶解现象，阴极不锈钢板表面堆积了较多的棕黄色絮状物。通过能谱仪对腐蚀产物进行成分分析，发现腐蚀产物中含有大量的Fe、Cr、Ni、Si、O元素。
　　（4）通过进一步的实验研究了304不锈钢板在循环冷却水中的腐蚀行为与电压、时间的关系。实验结果表明，304不锈钢板在循环冷却水中的腐蚀行为与电压成正相关关系。304不锈钢板在循环冷却水中的腐蚀电流几乎没有变化，即304不锈钢板在循环冷却水中的腐蚀是以恒定的腐蚀速率进行的。

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第1章 绪 论

1.1 质子交换膜燃料电池简介

1.2 质子交换膜燃料电池双极板

1.3 不锈钢双极板在PEMFC反应区的腐蚀问题研究现状

1.4本章小结

第2章 不锈钢双极板在PEMFC循环冷却水中的腐蚀理论分析

2.1质子交换膜燃料电池不锈钢双极板内侧的环境

2.2 不锈钢双极板在PEMFC循环冷却水中的腐蚀理论

2.3不锈钢双极板在PEMFC循环冷却水中的腐蚀实验模型

2.4研究目的及本文工作

第3章 不锈钢材料的电化学特性

3.1 实验部分

3.2 结果分析

3.3本章小结

第4章 不锈钢板在PEMFC循环冷却水中的腐蚀行为

4.1 实验部分

4.2 结果分析

4.3本章小结

第5章 不锈钢板在PEMFC循环冷却水中的腐蚀与电压及时间的关系

5.1 实验部分

5.2结果分析

5.3 本章小结

第6章 主要结论及展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目