pemfc金屬雙極板的腐蝕性能：的綜述

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1、PEMFC金屬雙極板的腐蝕性能：綜述RenatoA.Antunesa,*,MaraCristinaL.Oliveirab,GerhardEttb,VolkmarEttbaEngenhariadeMateriais,UniversidadeFederaldoABC(UFABC),09210-170SantoAndre′,SP,BrazilbElectrocellInd.Com.Equip.Elet.LTDA,CentrodeInovac?a?o,EmpreendedorismoeTecnologia(CIETE

2、C),05508-000Sa?oPaulo,SP,Brazil摘要：質(zhì)子交換膜燃料電池因其相對其他電池有較高的轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境友好的特點在動力電源領域引起人們的廣泛關注。雙極板是燃料電池的關鍵組成部分，其質(zhì)量和成本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械強度和更小的電阻，但是因為在金屬表面會逐漸生成氧化層，從而導致電阻增大，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注。本文介紹了最近文獻中對金屬雙極板腐蝕性能的研究結果。關鍵詞：PEM燃料電池；金屬雙極板；腐蝕；不銹鋼；

3、鍍層1緒論CO2,NOX和SOX等導致溫室效應氣體的過量排放使全球氣候逐漸變暖，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]。在眾多新穎的技術研究中，質(zhì)子交換膜燃料電池有著能量密度高，啟動速度快，啟動溫度低和導致溫室效應的氣體排放量低等特點，開始被用作汽車和公共汽車的動力[3]。通用汽車，福特，豐田和標志等較大的汽車生產(chǎn)廠商都在進行燃料電池電動車的開發(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[4]。然而，與常規(guī)的內(nèi)燃機相比，要完全達到汽車產(chǎn)業(yè)化的要求，就需要克服燃料電池的壽

4、命和成本的問題[5]。PEM燃料電池的主要組成部分是雙極板和膜電極（MEA）,MEA由質(zhì)子交換膜，氣體擴散層（GDL）和催化劑層組成。結構示意圖見圖1。雙極板是燃料電池堆中的關鍵組成部分，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、總體積和總成本。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出電流，在每個單體電池中均勻地分配燃料和氧化劑

5、，分隔每個單體電池和促進單池的水管理等重要作用[8]。為了實現(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料需要的條件，見表1。必須達到表中所示全部技術條件才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，因為石墨有著很高的電導率，在燃料電池這種比較特殊的條件下也有很好的化學穩(wěn)定性，但是其缺點是易碎，缺乏機械強度，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合雙極板，使用工業(yè)上成型的

6、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]。聚合物的摻雜使是雙極板有了一定的柔韌性，增強了雙極板的機械強度，而且對雙極板的化學穩(wěn)定性也沒有太嚴重的影響。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，有必要設計保證機械性能的同時又不犧牲電傳導性的復合雙極板。盡管復合雙極板有著重量小，產(chǎn)量高和化學性能穩(wěn)定的優(yōu)點，但就整體性能來說，與金屬雙極板相比，復合雙極板較

7、低的機械強度和導電性差兩個缺點尤為明顯?？紤]到燃料電池在交通工具上的應用，沖擊和震動可能會導致電池破裂和反應物泄露，在這方面上，金屬雙極板有著更好的穩(wěn)定性。Cunningham[15]的研究數(shù)據(jù)表明金屬雙極板的導電性是復合雙極板的一千多倍，此外加工成本較低使金屬雙極板在燃料電池市場上更有競爭力[16]。但是，在PEM燃料電池的酸性且濕潤的條件下，金屬雙極板表面容易被腐蝕，從而降低了雙極板的性能，這是金屬雙極板推廣面臨的巨大障礙。燃料電池工作溫度在80℃左右，pH值為2~4，在這種條件下金屬表面會分解，而溶解的

8、離子會毒害膜電極降低燃料電池的輸出功率[17,18]，而且雙極板表面鈍化降低了它的導電性。因此，表面氧化物的生成增大了雙極板的接觸電阻，依然對燃料電池的轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生不利影響，這些影響抵消了高電導率帶來的好處[19]。上述的問題可以通過在金屬雙極板表面涂鍍的辦法克服或適當減小影響[20]，很多種涂鍍方法都被用來進行試驗研究。本文闡述的是在燃料電池金屬雙極板的抗腐蝕保護和特性表征等研究中的重要論文及結論