质子交换膜燃料电池不锈钢双极板镀铌改性研究

摘要

双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一。本论文研究了采用对水和空气稳定的离子液体中对不锈钢进行电沉积铌，等离子体基离子注入铌的方法对不锈钢极性双极板进行改性，研究了膜层组织形貌和在模拟质子交换膜燃料电池(PEMFC)环境中的电化学性能和孔蚀动力学历程。
　　 首先，采用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐作为电解质在304不锈钢上电沉积铌，铌镀层以孤岛的形式均匀分布在不锈钢表面，其高度在100nm以内。镀铌后304不锈钢表面生成化学惰性良好的NbO、Nb2O5，所形成的一层氧化铌惰性薄保护膜覆盖着基体。在模拟PEMFC的环境中，镀铌304不锈钢的腐蚀电位提高，电化学极化性能得到改善，反应电阻增大，提高了耐蚀性能。
　　 其次，首次采用氯化胆碱类离子液体氯化胆碱-乙二醇为电解质在316不锈钢上电沉积铌，获得平整均匀的颗粒状镀层。铌镀层以孤岛的形式均匀分布在不锈钢表面，其高度在50nm以内。镀铌后316表面生成化学惰性良好的NbO、Nb2O5，改善了316不锈钢表面膜的钝化能力。在模拟PEMFC环境中，镀铌后316不锈钢的维钝电流密度减小，改善了阳极极化性能;孔蚀电位正移，反应电阻增大，提高了耐蚀性能。以对水和空气稳定的氯化胆碱类离子液体为电解质进行电镀，镀液性质稳定，可重复利用，绿色环保。
　　 最后，采用金属等离子体基离子注入技术对316不锈钢进行铌离子注入，发现注入铌层以孤岛的形式均匀分布在不锈钢表面，其高度在50nm以内。离子注入铌后316不锈钢表面形成的化学惰性良好的NbO2、 Nb2O5膜层及弥散的铌的氧化物小颗粒析出相的化学效应，使其基体的电化学性能得到提高。在模拟PEMFC环境中电化学测试结果，离子注入铌316不锈钢的腐蚀电位升高，维钝电流密度减小，电荷转移电阻增大，电容值降低，注入铌层成为高电阻、低电容的阻挡层，增强了不锈钢表面钝化能力，抑制和减缓了腐蚀反应。在85℃的模拟PEMFC阳极和阴极环境中，离子注入铌316不锈钢腐蚀动力学方程分别为i0=-556.85·t-1/2和i0=1108.17·t-1/2，表明孔蚀过程受孔表面盐膜溶解控制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 质子交换膜燃料电池工作原理及研究现状

1．2 双极板功能与特点

1．3 双极板材料

1．4 不锈钢极性双极板表面改性

1．4．1 不锈钢极性双极板表面改性研究进展

1．4．2 Nb在金属防腐蚀中的应用

1．4．3 Nb在不锈钢极性双极板表面改性上的应用及方法

1．5 离子液体在铌改性不锈钢极性双极板方面的优势及应用

1．5．1 离子液体与传统电解质的优劣比较

1．5．2 离子液体在金属电沉积方面的优势

1．5．3 离子液体在Nb电沉积中的应用

1．5．4 电沉积Nb离子液体的合成

1．6 等离子体基离子注入在不锈钢极性双极板改性方面的应用

1．6．1 离子注入

1．6．2 等离子体基离子注入的原理、特点及其工业的应用

1．7 本论文研究目的及主要内容

1．7．1 研究目的

1．7．2 研究内容

第2章 实验方法

2．1 三氟甲磺酸盐离子液体中304不锈钢表面电沉积铌的方法

2．1．1 三氟甲磺酸盐离子液体

2．1．2 三氟甲磺酸盐离子液体中Nb的电沉积

2．2 氯化胆碱类离子液体的合成及铌的电沉积实验方法

2．2．1 氯化胆碱-乙二醇离子液体的制备

2．2．2 氯化胆碱-乙二醇离子液体中Nb的电沉积

2．3 等离子体基离子注入铌的实验方法

2．3．1 镀前处理

2．3．2 等离子体基离子注入铌

2．4 表面形貌与镀层成分分析

2．4．1 表面形貌分析

2．4．2 镀层成分分析

2．5 电化学测量

2．5．1 质子交换膜燃料电池的工作环境模拟

2．5．2 电化学测量系统及装置

2．5．3 极化曲线恒电位极化

2．5．4 恒电位极化

2．5．5 电化学阻抗谱

第3章 三氟甲磺酸盐类离子液体镀铌及镀铌不锈钢的电化学行为

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验方法

3．2．2 电化学性能测试方法

3．2．3 镀层表面分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 显微形貌

3．3．2 XPS和XRD分析

3．3．3 腐蚀电位

3．3．4 极化曲线

3．3．5 恒电位曲线

3．3．6 电化学交流阻抗谱

3．4 本章小结

第4章 氯化胆碱类离子液体中电沉积铌及镀铌不锈钢的电化学行为

4．1 前言

4．1．1 氯化胆碱类离子液体的性质

4．1．2 氯化胆碱类离子液体在金属电沉积中的应用

4．2 实验部分

4．2．1 离子液体的制备

4．2．2 电沉积方法

4．2．3 电化学性能测试方法

4．2．4 镀层表面分析

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 显微形貌

4．3．2 EDX分析

4．3．3 XPS分析

4．3．4 XRD分析

4．3．5 腐蚀电位

4．3．6 极化曲线

4．3．7 恒电位曲线

4．3．8 循环动电位极化曲线

4．3．9 界面接触电阻

4．3．10 电化学交流阻抗谱

4．4 本章小结

第5章 等离子体基离子注入Nb改性316不锈钢的电化学行为

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 试样及离子注入

5．2．2 电化学实验方法

5．2．3 离子注入表面分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 显微形貌

5．3．2 XPS分析

5．3．3 XRD和EDX分析

5．3．4 腐蚀电位

5．3．5 极化曲线

5．3．6 电化学交流阻抗谱

5．3．7 孔蚀动力学推导

5．4 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

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