金属双极板表面纳米尖峰氧化膜的制备及性能研究

质子膜燃料电池是极具发展潜力的绿色能源，金属双极板取代石墨双极板是燃料电池发展的趋势。但金属双极板耐腐蚀性差，表面接触电阻高，需要对金属表面进行改性处理。国内外研究的主要思路是在金属板表面镀制导电性良好的耐腐蚀性膜，如TiN等陶瓷膜。但难以避免的镀膜缺陷却导致金属双极板不能承受长时间电池运行的考验。本项目提出一种金属双极板制备新思路，即通过改变表面形貌来降低表面接触电阻，利用致密的纳米尖峰氧化膜改善金属双极板的耐腐蚀性和导电性。本项目拟通过刻蚀技术获得纳米尖峰氧化膜，并探讨这种表面形貌对金属双极板性能的影响。拟解决的关键问题（1）合金组分的选择；（2）刻蚀液的选择与表面处理工艺的研究。通过对合金组分-刻蚀工艺-表面微观结构-性能的综合分析与研究，制备出具有致密纳米尖峰氧化膜表面形貌的低成本、高性能金属双极板材料，推动燃料电池技术的应用。

质子膜燃料电池是一类具有重要应用前景的绿色能源。双极板是燃料电池的重要组成部件，要求具有良好的耐腐蚀性、导电导热性、可加工性、不透气、一定的强度等，金属双极板取代石墨双极板是燃料电池发展的趋势。但金属双极板耐腐蚀性差，表面接触电阻高，需要对金属表面进行改性处理。国内外研究的主要思路是在金属板表面镀制导电性良好的耐腐蚀性膜，如TiN等陶瓷膜。但难以避免的镀膜缺陷，如发生针孔腐蚀导致性能下降。. 本项目发展了一种金属双极板制备新技术，即利用合金元素与处理环境，通过表面复合处理，原位形成具有良好耐腐蚀性与导电性的的保护膜。开展了二个材料体系：（1）Fe-Ni-Cr合金；（2）SS304不锈钢的表面处理工艺研究。以耐腐蚀性与表面接触电阻为判据，获得二个材料体系的最佳处理工艺：（1）SS304不锈钢经30vol%混合酸(12HNO3:2HCl:HF) 室温处理10min，再30 vol%HNO3钝化5min，后热处理(250oC,2h,N2)，最后电化学处理2h，其腐蚀电流密度为2.8x10-8 A.cm-2，表面接触电阻4.29 mΩ.cm2 (压力 240N.cm-2）；（2） Fe-Ni-Cr合金经15vol%混合酸(12HNO3:2HCl:HF) 65oC处理10min，再30 vol%HNO3钝化5min。其腐蚀电流密度为2.5x10-8 A.cm-2，表面接触电阻6.8 mΩ.cm2 (压力 240N.cm-2）。. 研究发现：复合处理工艺（酸处理+热处理+电化学处理）的作用机理在于：通过酸处理，选择性将表面Fe3O4去除，留下具有一定孔隙的Cr2O3膜，热处理导致近表面的Fe通过孔隙向表面迁移，并在原Cr2O3表面生长出一层Fe3O4，同时近表面的Cr含量增加，电化学处理将外层Fe3O4选择性去除，内部Cr2O3进一步增厚并致密。因此耐腐蚀性和导电性都得到改善，这种原位形成的保护膜导电性良好的原因是：（1）Cr2O3厚只有几个纳米；（2）膜表面含有一定的C含量；其耐腐蚀性好的原因是这种Cr2O3膜致密，并且通过表面化学处理原位形成的保护膜，在空气或氧气环境中具有自修复功能，因此比较稳定，对其它材料体系的表面处理具有一定的参考意义。. 本项目发展的处理工艺成本低，不需要昂过的处理设备，适合产业化推广。