【摘 要】
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质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种清洁高效型燃料电池,因其启动速度快、运行温度低等优点受到众多行业的青睐。双极板作为PEMFC中极其重要的部件之一,起到分隔阴阳极、收集热量和电流等作用。金属双极板由于其卓越的机械性、良好的导电性和导热性,弥补了传统石墨双极板的不足之处,成为双极板材料的不二之选。但PEMFC内部弱酸性(含SO42-、F-、HSO4-、HCO3-等离子)的工作环境易使金属发生溶解
【基金项目】
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广西自然科学基金项目（Grant NOs. 2021GXNSFAA220118和2018GXNSFBA138059）
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质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种清洁高效型燃料电池,因其启动速度快、运行温度低等优点受到众多行业的青睐。双极板作为PEMFC中极其重要的部件之一,起到分隔阴阳极、收集热量和电流等作用。金属双极板由于其卓越的机械性、良好的导电性和导热性,弥补了传统石墨双极板的不足之处,成为双极板材料的不二之选。但PEMFC内部弱酸性(含SO42-、F-、HSO4-、HCO3-等离子)的工作环境易使金属发生溶解与钝化现象,阳极侧金属双极板的溶解产生的金属离子会污染膜电极,而阴极侧金属双极板表面生成的钝化膜大大降低了其导电性,进而影响电池堆的输出功率。在金属表面施加耐蚀导电涂层是解决上述问题的一种经济、有效的方法。本文分别采用316L不锈钢和纯钛作为金属双极板基体,利用恒电流沉积法和Ti粉还原法等方法在金属基体表面分别制备了PPy-Ti4O7复合涂层和Magnéli相Ti4O7涂层,并表征了所得涂层的形貌、接触角和表面接触电阻等,研究了涂层在模拟PEMFC阴极侧环境下的耐蚀性能。本文得到的主要结论如下:（1）首先探究了Magnéli相Ti4O7粉体的制备工艺。在Zr还原法中,当Zr/Ti O2的摩尔比为20:1,实验温度为1050℃,煅烧时间调整为15 h时,成功制备了Ti4O7粉末;在Ti还原法中,当Ti O2/Ti的实际质量比为3.2:0.5或3.0:0.5时,在850℃下煅烧4 h或3.5 h可以得到Ti4O7粉末。（2）利用甲基磺酸溶液对Ti4O7粉末进行刻蚀,得到表面携带羟基基团的改性Ti4O7。随后通过恒电流沉积法(沉积电流密度为1 m A·cm-2)在316L不锈钢表面制备了改性Ti4O7颗粒掺杂的聚吡咯复合涂层（PPy-Ti4O7）。导电颗粒Ti4O7的加入使涂层的表面接触电阻降低为12.34 mΩ·cm~2,并且涂层表面呈现出良好的疏水性（其水接触角增加至115°）。复合涂层的腐蚀电位比316L不锈钢提高了304 m VAg/Ag Cl,复合涂层样品在腐蚀溶液中浸泡306 h后,其较低的Rf值与稳定上升的Rct值表明复合涂层具有长期的耐蚀性能。（3）选用钛金属作为基材,将钛金属在700℃空气中煅烧7 h,在基体表面获得金红石型Ti O2涂层。利用Ti粉和Ti O2混合粉末作为还原剂,在880℃下与Ti O2涂层反应10 min,得到Ti4O7涂层。该方法突破了Ti4O7传统制备方法的局限,整个实验过程在高纯氩气的保护氛围下实现,且副产物无毒无害,是一种高效无污染的Ti4O7涂层制备方法。Ti粉还原法制备的Ti4O7涂层具有较低的表面接触电阻（7.6 mΩ·cm~2）;该涂层的腐蚀电位相比Ti基体提高了614 m VAg/Ag Cl,其腐蚀电流密度相对基体下降了三个数量级,这意味着Ti4O7涂层对于Ti基体具有良好的防护效果;Ti4O7涂层满足双极板的性能要求,为Ti双极板表面改性提供了新的思路。
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