电化学蚀刻-掺杂316L不锈钢制备PEMFC双极板

摘要

目的研究在0.5 mol/L KNO3和0.1 mol/L HNO_(3)混合溶液中,电极电位对316L不锈钢(316LSS)表层微观形貌、化学组成、耐腐蚀性能和界面接触电阻的影响,以解决316LSS双极板在质子交换膜燃料电池中服役时腐蚀和表面接触电阻较大的问题。方法借助于电化学交流阻抗、循环伏安、计时电流和动电位极化测试,对316LSS表面发生的电化学反应及改性后性能进行研究。利用电化学工作站、扫描电镜及X射线光电子能谱分析仪,对316LSS的耐腐蚀性能、微观形貌及化合价进行表征,并测量界面接触电阻和反应后溶液中铁铬金属离子浓度进行测量。结果在0.5 mol/L KNO_(3)+0.1 mol/L HNO_(3)的混合溶液中,316LSS表面发生的反应为不可逆过程,当改性电位为–0.5 V(vs. SCE)时,交流阻抗低频区出现了代表物质吸附的感抗弧,电位负移到–0.6 V(vs. SCE)和–0.7 V(vs. SCE)时,表面发生点腐蚀和晶界腐蚀,膜层的完整性被破坏。最佳电位–0.5 V(vs. SCE)改性后316LSS表面出现凸起结构,表层元素分析发现关键合金元素铬主要以氧化铬和氮化铬形式存在,–0.5 V(vs. SCE)对应的氮化铬占比达54.8%。在140 N/cm^(2)的压力下界面接触电阻与施加电位呈现抛物线关系,最小电阻值为8.7 mΩ·cm^(2)(–0.5 V(vs. SCE))。改性后的316LSS耐腐蚀性能显著提升,最佳样品的腐蚀电流密度和腐蚀电位分别为0.065μA/cm^2和136.738 m V,在模拟燃料电池中运行650 h时,腐蚀电流密度为3.4μA/cm^2。结论电化学改性316LSS的物理化学性能与施加电位大小密切相关。由于316LSS表层钝化膜在电化学反应过程中发生选择性溶解以及原位氮掺杂,促使钝化膜厚度减薄,掺杂氮元素稳定了膜层结构和提高了导电性能,消除了钝化膜对双极板性能的不利影响。最佳改性电位下316LSS表面发生选择性蚀刻形成致密的凸起状氮掺杂膜层,改善了316L不锈钢双极板综合性能。