质子交换膜燃料电池金属基双极板导电防腐涂层研究

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双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要组成部分。金属具有良好的机械稳定性,导电性和导热性,并且易于加工,是合适的双极板基材之一。然而金属板在PEMFC的工作环境下易被腐蚀或溶解,导致PEMFC输出功率降低。鉴于以上问题,可以利用防腐涂层对金属板进行表面处理,从而在不改变其导电性、导热性的前提下提高抗腐蚀性能。采用电泳沉积法在金属板表面沉积石墨烯涂层。氧化石墨烯(GO)溶液本身带负电,可以直接利用阳极电泳沉积法在钛基底上制备GO涂层。但钛基底作阳极易被氧化,从而影响双极板的电导率。本研究利用对苯二胺(PPD)对GO进行正电调控,并成功地通过阴极电泳沉积法在钛基底上沉积改性氧化石墨烯(MGO)涂层。此外,探究了MGO原料比例、分散液p H、分散液浓度、电泳沉积时长等沉积条件对样品性能的影响。利用氢气热处理还原MGO镀层时,研究了还原时间和还原温度对涂层的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)和Zeta电位分析等方法对样品进行表征,并在PEMFC的模拟工作环境下对样品进行耐腐蚀性测试和表面接触电阻测试。结果表明,最优条件下制备的样品腐蚀电流密度比纯钛板低2个数量级,表面接触电阻降低至4 mΩ·cm~2,这两项关键性测试结果均达到美国能源部关于燃料电池双极板性能2020年的目标。为探究阴极电泳沉积制备石墨烯涂层对于不同金属基底的适用性,以制备钛基MGO涂层的最优条件制备了铝基MGO涂层,并探究了还原温度对涂层性能的影响。结果表明,在最优条件下制备的样品腐蚀电流密度比纯铝板降低了2个数量级,同时表面接触电阻值仅为5 mΩ·cm~2。以上结果说明该方法制备的石墨烯涂层不仅可以适用于不同的金属材料,同时能够保证它较强的耐腐蚀能力和较高的导电性能。我们提出的方法也可应用于其他不引起基底氧化制备石墨烯涂层的领域。
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