PEMFC不锈钢双极板超疏水SnO2复合膜改性研究

双极板是质子交换膜燃料电池的关键组件之一，其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。不锈钢由于优良的导电与导热性能、机械强度高和相对较低的成本，具有成为理想双极板材料的潜力。当前，不锈钢用于双极板材料面临的最大问题是腐蚀和腐蚀造成的接触面电阻增加。在金属表面实施超疏水化是一个有效防止金属表面腐蚀的途径。为了获得超疏水的金属表面，多数研究采用价格昂贵的低表面能物质修饰，或运用工艺复杂、成本过高的制备技术。本项目不通过低表面能物质修饰，采用工艺简单、成本较低的湿化学法在不锈钢表面构筑超疏水性和导电性兼具的SnO2复合膜，通过反应条件的调控，制备稳定耐久的超疏水SnO2复合膜。在模拟PEMFC工作环境中，研究超疏水SnO2复合膜改性不锈钢双极板的耐腐蚀和导电性能，并考察超疏水复合膜长期的性能稳定性，结合深度表面形态分析技术，揭示超疏水SnO2复合膜改性不锈钢双极板材料的腐蚀过程影响机制。

相比于传统石墨材料，不锈钢具有优良的导电与导热性能、机械强度高和成本低等优势，成为一种理想的质子交换膜燃料电池（PEMFC）双极板材料。不锈钢双极板材料在应用中面临的主要问题是腐蚀和腐蚀造成的接触面电阻增加。本项目开发SnO2复合膜用于不锈钢双极板的表面防护，通过简单的湿化学法优化SnO2复合膜的表面结构并在不锈钢表面构建超疏水的SnO2复合膜。运用动电位极化曲线、交流阻抗谱和恒电位电流曲线研究制备得到的一系列SnO2复合膜在模拟PEMFC 工作环境中对不锈钢的保护效果。结果表明，经SnO2复合膜改性后不锈钢的耐蚀性均增强，而采用醇热后处理SnO2复合膜可显著提高其对不锈钢的防护作用；采用Mn或Cr掺杂制备的稀土复合膜均可增强不锈钢在酸性介质中的耐蚀性能，但采用Mn掺杂制备的复合膜效果更佳。SEM、AFM、XPS和XRD等分析表明，SnO2复合膜耐蚀性的增强可归于其表面结构更致密和疏水性的提高。采用Sb元素掺杂改性SnO2薄膜与SnO2薄膜具有相当的耐蚀性，但接触电阻测试的结果表明，Sb改性可提高SnO2薄膜的导电性，从而明显降低不锈钢双极板的接触电阻。研究表明，Sb掺杂SnO2薄膜改性不锈钢双极板在PEMFC具有很好的应用前景，有利于推进PEMFC的商业化进程。