高氮不锈钢在模拟PEM燃料电池环境中的电化学性能题材.doc

高氮不锈钢在模拟ＰＥＭ燃料电池环境中的电化学性能 黄景峰，刘　峰＊，唐　君 （辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺１１３００１） 摘　要：　以高氮不锈钢为研究对象，３０４不锈钢作对比，在模拟ＰＥＭ燃料电池环境中测试二者的极化曲线和交流阻抗，运用相关软件分析曲线和数据。实验结果表明：高氮不锈钢的自腐蚀电流密度和维钝电流密度分别比３０４不锈钢低２１．７％和２４．５％，说明高氮不锈钢比３０４不锈钢有更好的耐腐蚀性；高氮不锈钢的电荷转移电阻比３０４不锈钢高２．４３×１０３倍，而且高氮不锈钢的弥散指数（Ｎ＝０．８９９　４）比３０４不锈钢的弥散指数（Ｎ?＝?０．８４４　５）更接近１，这表明高氮不锈钢的钝化膜比３０４不锈钢的厚而且光滑。 关键词：　高氮不锈钢；　燃料电池；　极化曲线；　交流阻抗 中图分类号：ＴＥ９８　　　　文献标识码：Ａ　　　　ｄｏｉ：１０．３６９６／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－６９５２．２０１１．０４．０１５文章编号：１６７２－６９５２（２０１１）０４－００５６－０４ 质?子?交?换?膜?（Ｐｒｏｔｏｎ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ，ＰＥＭ）燃料电池是一种高比功率、高转化效率、低环境污染的氢能转化装置。双极板是ＰＥＭ燃料电池的核心部件之一，占电池组质量和成本的很大部分，具有隔离并均匀分配反应气体、收集并导出电流、串联各个单电池等功能，因此，理想的双极板应具有很高的导电导热性、耐腐蚀性、低密度、高机械强度、高阻气能力，以及低成本、易加工等特点［１］。双极板材料可分为石墨类、金属类和复合材料三大类。金属材料的导电导热性能好，资源丰富，而且强度高，可以显著降低双极板厚度，从而提高ＰＥＭ燃料电池的比功率，现有的金属加工工艺成熟，可实现批量化生产，具有低成本的潜力，金属可以防止水腔中冷却剂向电池两极扩散，尤其适用于可低温启动的燃料电池系统，因此，金属是理想的ＰＥＭ燃料电池双极板材料。但是，在ＰＥＭ燃料电池的环境下，金属双极板易发生腐蚀，产生金属离子进而对电池的膜电极组件等产生不良影响，而耐蚀金属表面通常有氧化物膜存在，这导致了电池内部高接触电阻，减少了能量的输出［２］。 国内外已广泛开展对３０４不锈钢以及表面改性之后在双极板上应用的可行性研究，其中，表面改性的方法包括：电聚合石墨—聚吡咯层、空心阴极放电离子镀ＴｉＮ层、电弧离子镀铬氮化物层等［３－７］。高氮?不?锈?钢［８］（Ｈｉｇｈ　Ｎｉｔｒｏｇｅｎ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌ，ＨＮＳＳ），指铁素体基体中氮质量分数超过０．０８％或奥氏体基体中氮质量分数超过０．４％的不锈钢，其中的氮元素能提高耐腐蚀性。高氮不锈钢作为金属双极板材料不仅具备金属材料的优点，同时还比一般的金属材料包括常见的不锈钢（３０４、３１６等）耐腐蚀。常见的不锈钢用于ＰＥＭ燃料电池通常需要表面改性，本文将高氮不锈钢作为研究对象，３０４不锈钢作为对比，用０．１?ｍｏｌ／Ｌ　Ｈ２ＳＯ４＋?０．１?ｍｏｌ／ＬＨＣｌ溶液模拟燃料电池环境，测试其交流阻抗和极化曲线，以分析其直接应用在双极板上的可能性。 １　实验部分 １．１　试样及仪器 实验所用试样为３０４不锈钢和高氮不锈钢（Ｆｅ－２３％Ｃｒ－１％Ｍｏ－１％Ｎ），其成分见表１。主要实验仪器见表２。 １．２　实验方法 试样截面分别加工成１０ｍｍ×１０ｍｍ，厚度为２ｍｍ。试样一端用铜导线相连，用环氧树脂封装在ＰＰＲ塑料管内，只露出一个１０ｍｍ×１０ｍｍ的面。用２４０＃～１５００＃耐水砂纸将试样打磨，抛光，分别用去离子水、无水乙醇、丙酮清洗。采用电化学工作站测试其交流阻抗和极化曲线。采用０．１?ｍｏｌ／ＬＨ２ＳＯ４＋０．１ｍｏｌ／Ｌ　ＨＣｌ溶液，在室温下，采用三电极体系（如图１所示），辅助电极为石墨电极（圆柱形石墨片，直径３０ｍｍ，厚度５ｍｍ），参比电极为饱和甘汞电极（ＳＣＥ），工作?电极为试样?。试?样放入电解质溶液中，如果自腐蚀电极电位的变化小于１ｍＶ／ｍｉｎ，则认为达到稳定状态。交流阻抗的范围为１０?ｍＨｚ?～１００ｋＨｚ，阻抗测试信号为幅值１０ｍＶ的正弦波。采用ＴＥＳＣＡＮ　ＶＥＧＡ型扫描电子显微镜观察腐试样蚀后的表面形貌。为了消除表面的氧化膜，从低于自腐蚀电极电位２００ｍＶ的电极电位开始线性扫描，扫描速率为１ｍＶ／ｓ，扫描范围为－０．５?～１．５Ｖ。本文中电极电位均相对于饱和甘汞电极电位。 ２　结果与讨论 ２．１　极化曲线 ３０４不锈钢和高氮不锈钢在０．１ｍｏｌ／Ｌ　Ｈ２ＳＯ４＋０．１ｍｏｌ／Ｌ　ＨＣｌ溶液中的极化曲线如图２所示。由图２中可以看出：开始从低于自腐蚀电极电位２００ｍＶ，随着电极电位的升高，３０４不锈钢和高氮不锈钢的电流密度减小到一个极小值，此时高氮不锈钢的腐蚀电流密度大于３０４不锈钢；随后增大到一个极大值，此时高氮不锈钢的腐蚀电流密度小于３０４不锈钢（