质子交换膜燃料电池不锈钢双极板表面Ti4O7涂层的制备及性能研究

Cost and service life are key factors hindering the commercialization of proton exchange membrance fuel cell(PEMFC). Bipolar plates play an important role in controlling the cost and weight of PEMFC. Metaliic bipolar plates have advantages over graphite bipolar plates in reduing the cost and increasing the specific power of PEMFC, but with the main handicap of dissolution and passivation in PEMFC environments. An efficient way to solve this problem is to use a high conductivity and high corrosion resistance coating on metallic bipolar plate. . Taking full advantage of the high conductivity and high chemical stability of magnéli phase titanium suboxides, a new compact coating mainly composed of magnéli phase Ti4O7 has been proposed to be electrodeposited on 304 stainless steel bipolar plates from molten salts. In molten salts with chlorides as the supporting electrolytes and K2TiF6 as the electroactive component the nucleation and growth mechanism of Ti4O7 through the reduction of K2TiF6 will be investigated by electrochemical tests, and the preparation technology of the Ti4O7 coating will also be developed. Morever, the corrosion behavior and contact resistance of Ti4O7 coating in the simulated PEMFC environments will be investigated by electrochemical testing methods. This project is of great significance to the development of hight chemical stability and conductivity coatings, to the development of new preparation technologys of coatings , and finally to the application of metallic bipolar plates and thus the commercialization of PEMFC.

成本与寿命是制约质子交换膜燃料电池商业化的关键因素。双极板在控制电池成本与重量方面起着重要作用。金属双极板在降低电池成本、提高电池比功率等方面显示出极强的竞争力，但它在电池环境中面临溶解与钝化问题，施加高导电、高耐蚀性的表面防护涂层是解决这一问题的有效途径。本项目利用Magnéli相亚氧化钛具有高导电性、高化学稳定性的优点，采用熔盐电沉积法在304不锈钢表面直接沉积致密的、以Magnéli相Ti4O7为主的涂层。以氯化物盐为主盐，以K2TiF6为电化学活性物质，研究K2TiF6电化学还原为Magnéli相Ti4O7的反应机制，发展涂层制备工艺；采用电化学方法研究涂层/合金在模拟PEMFC阴、阳极工作环境中的腐蚀行为及接触电阻。本研究对于发展金属双极板表面高化学稳定性与导电性的涂层体系及其制备新工艺，推动金属双极板的应用及质子交换膜燃料电池的商业化具有积极的意义。

金属双极板作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键部件之一，其腐蚀和成本问题严重制约着PEMFC的商业化。施加高导电、高耐蚀性表面防护涂层是解决这一问题的有效途径。本项目利用Magnéli相亚氧化钛高导电性、高耐蚀性和抗氧化性等优点，拟采用熔盐电沉积法在不锈钢表面直接制备组织和性能可控的，以Magnéli相Ti4O7为主组成，既能满足PEMFC双极板所需的耐蚀性能，兼有良好导电性的多功能陶瓷涂层；表征涂层的微观结构，优化涂层制备工艺；研究涂层在模拟PEMFC阴、阳极工作环境中的电化学行为及接触电阻。但是，由于钛氧化所需氧分压极低，实际电沉积得到的涂层为从金属钛到Ti2O3、Ti3O5、Ti4O7和Ti5O9的某种或某几种的混合氧化物涂层，且涂层与基体间结合力较差，很难得到连续、均匀的涂层。因此，我们调整研究方向和研究内容。.采用一种新的还原剂还原TiO2，实现了单一物相Ti4O7粉体和块体电极材料的大规模制备，且此工艺具有反应温度低，时间短，安全可靠等优点，可极大地降低Ti4O7的生产成本。将Ti4O7粉体和块体电极分别应用于锂离子电池和电化学催化氧化技术处理污水的阳极材料。结果显示，Ti4O7含量为6%时不仅可明显改善锂离子电池的大倍率充放电性能，而且还能保证电池固有的充放电容量；Ti4O7电极对含甲基橙的废水具有很好的电催化氧化性能，可同时高效、快速地降低出水的COD和色度。.采用熔盐电沉积法制备了ZrB2涂层，研究Zr(IV)和B(III)在熔盐中的电化学行为及ZrB2的阴极还原机理，获得制备均匀、致密、与基体结合良好的ZrB2涂层的工艺参数。所制备的ZrB2涂层在800 ℃熔融铝和500 ℃熔融锌中72 h内可保护不锈钢基体免受熔融金属的侵蚀。因此，熔盐电沉积的ZrB2涂层可作为耐熔融金属腐蚀的涂层材料，应用于热电偶保护套、铝电解电极连接杆的涂层体系。