pemfc金屬雙極板的腐蝕性能：綜述

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1、PEMFC金屬雙極板的腐蝕性能：綜述RenatoA.Antunes'*，MaraCristinaL.Oliveira1)，GerhardEtt1)，VolkmarEttbaEngenhariadeMaterials,UniversidadeFederaldoABC(UFABC)，09210-17()SantoAndreSP,BrazilElectrocellInd.Com.Equip.Elet.LTDA，CentrodeInovaca*o,EmpreendedorismoeTecnologia(CIETEC)，05508-(X)0Sa~oPa

2、ulo,SRBrazil摘要：質(zhì)子交換膜燃料電池因其相對(duì)其他電池有較高的轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境友好的特點(diǎn)在動(dòng)力電源領(lǐng)域引起人們的廣泛關(guān)注。雙極板是燃料電池的關(guān)鍵組成部分,其質(zhì)量和成木在燃料電池中占很大比重。相比石墨雙極板，金屬雙極板有著更高的機(jī)械強(qiáng)度和更小的電阻，但是因?yàn)樵诮饘俦砻鏁?huì)逐漸生成氧化層，從而導(dǎo)致電阻增大，降低燃料電池的效率，所以金屬雙極板的抗腐蝕性能得到很廣泛的關(guān)注。木文介紹了最近文獻(xiàn)中對(duì)金屬雙極板腐蝕性能的研究結(jié)果。關(guān)鍵詞：PEM燃料電池；金屬雙極板；腐蝕；不銹鋼；鍍層1緒論co2，NOjnsox等導(dǎo)致溫室效應(yīng)氣體的過量排放使全球氣候逐漸變

3、暖，因此使用較小污染的能源作為化石能源的替代顯得尤為重要［1，2］。在眾多新穎的技術(shù)研究中，質(zhì)子交換膜燃料電池有著能量密度高，啟動(dòng)速度快，啟動(dòng)溫度低和導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體排放量低等特點(diǎn)，開始被用作汽車和公共汽車的動(dòng)力［3］。通用汽車，福特，豐田和標(biāo)志等較大的汽車生產(chǎn)廠商都在進(jìn)行燃料電池電動(dòng)車的開發(fā)，在2008年夏天，本田第一款商業(yè)燃料電池汽車投放美國市場(chǎng)［4］。然面，與常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)相比，耍完全達(dá)到汽車產(chǎn)業(yè)化的耍求，就需?？朔剂想姵氐膲勖统杀镜膯栴}［5］。PEM燃料電池的主耍組成部分是雙極板和膜電極（MEA），MEA由質(zhì)子交換膜，氣體擴(kuò)散層（GD

4、L）和催化劑層組成。結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。雙極板是燃料電池堆中的關(guān)鍵組成部分，它的質(zhì)量、體積和成本在很大程度上決定了電堆的總質(zhì)量、總體職和總成本。Tsuchyia和Kobayashi［6］提出，雙極板質(zhì)量占電堆總質(zhì)量的80%,其成本占電堆總成本的45%。最近數(shù)據(jù)表示，其成本降低到電堆總成本的25%［7］,不過依然是很大比重。此外，雙極板在燃料電池堆中起著導(dǎo)出電流，在每個(gè)單體電池中均勻地分配燃料和氧化劑，分隔甸個(gè)單體電池和促進(jìn)單池的水管理等重耍作用［8］。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，許多種材料都曾用來制作雙極板。美國能源部（DOE）提出了可以被用來制作雙極板的材

5、料需耍的條件，見表1。必須達(dá)到表中所示全部技術(shù)條件冰有可能被用作雙極板的材料。早期使用無孔石墨板作為雙極板材料，因?yàn)槭兄芨叩碾妼?dǎo)率，在燃料電池這種比較特殊的條件下也有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，但是其缺點(diǎn)是易碎，缺乏機(jī)械強(qiáng)度，此外流道的加工成本很高也限制了石墨雙極板的大規(guī)模制作［9］。作為純石墨的替代使用聚合物與石墨粉的混合物可用來制作復(fù)合雙極板，使用工業(yè)上成型的熱塑性塑料的噴射模塑法或熱固塑料的BMC法可以大規(guī)模的制作。這種石墨基體的復(fù)合雙極板可以用聚丙烯（PP），硫化聚亞苯（PPS）,酚醛樹脂和乙烯基酯樹脂作摻雜物［10-14］。聚合物的摻雜使是

6、雙極板有了一定的柔韌性，增強(qiáng)了雙極板的機(jī)械強(qiáng)度，而且對(duì)雙極板的化學(xué)穩(wěn)定性也沒有太嚴(yán)重的影響。但是，由于聚合物為絕緣體，它的摻雜在一定程度上加大了雙極板的電阻。因此，有必要設(shè)計(jì)保證機(jī)械性能的同時(shí)又不犧牲電傳導(dǎo)性的復(fù)合雙極板。盡管復(fù)合雙極板有著重量小，產(chǎn)量高和化學(xué)性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但就整體性能來說，與金屬雙極板相比，復(fù)合雙極板較低的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性差兩個(gè)缺點(diǎn)尤為明顯?？紤]到燃料電池在交通工具上的應(yīng)用，沖擊和震動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致電池破裂和反應(yīng)物池露，在這方而上，金屬雙極板有著更好的穩(wěn)定性。Cunningham［15］的研宂數(shù)據(jù)表明金屬雙極板的導(dǎo)電性是復(fù)合雙極板

7、的一千多倍，此外加工成本較低使金屬雙極板在燃料電池市場(chǎng)上更有競(jìng)爭(zhēng)力［16］。但是，在PEM燃料電池的酸性且濕潤(rùn)的條件下，金屬雙極板表而容易被腐蝕，從而降低了雙極板的性能，這是金屬雙極板推廣而臨的巨大障礙。燃料電池工作溫度在8(TC左右，pH值為2~4,在這種條件下金屬表而會(huì)分解，而溶解的離子會(huì)毒害膜電極降低燃料電池的輸出功率［17,18］，而且雙極板表而鈍化降低了它的導(dǎo)電性。因此，表而氧化物的生成增大了雙極板的接觸電阻，依然對(duì)燃料電池的轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生不利影響，這些影響抵消了高電導(dǎo)率帶來的好處［19］。上述的問題可以通過在金屬雙極板表而涂鍍的辦法克服

8、或適當(dāng)減小影響［20］，很多種涂鍍方法都被用來進(jìn)行試驗(yàn)研宂。本文闡述的是在燃料電池金屬雙極板的抗腐蝕保護(hù)和特性表征等研宄中的重要論文及結(jié)