質子交換膜燃料電池(PEMFC)被認為是內燃機的替代品。將氫氧反應產生的化學能轉化為電能的技術具有許多優點，如低排放、低操作溫度和相對高的能量效率。PEMFCs的缺點是電池結構的體積和重量大，主要是由于雙極板。此外，膜、催化劑和雙極板的成本使得該技術過于昂貴而無法廣泛使用。必須降低體積、重量和采購成本等參數，尤其是汽車行業。
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質子交換膜燃料電池由雙極板(BP)和膜電子組件(MEA)組成，其中包括氣體擴散層(GDL)、催化劑、膜和密封。雙極板必須滿足許多要求，良好的導電性和導熱性、化學穩定性、疏水性等。這種多功能性很難實現。
大部分BP由石墨制成，少部分由石墨-聚合物復合材料制成。石墨在化學穩定性、導熱性和導電性方面表現優異，但其機械性能較差。石墨雙極板沉重、體積大、易碎，制造過程困難且昂貴。作為石墨的潛在替代品，金屬雙極板似乎很有前途。至于金屬，主要考慮的是不銹鋼、鈦、鎳、銅、鋁及其合金。
雙極板的新材料應滿足美國能源部(DOE)表1 給出的參數，DOE還定義了測量參數。不銹鋼似乎最有前途，尤其是在便攜式和汽車應用方面。它具有良好的導熱性和導電性、不透氣性、優異的機械性能和成型性。
不幸的是，在燃料電池環境中的耐腐蝕性是不銹鋼的主要問題。PEMFC的工作條件約為80°C、高濕度和酸性(pH 2-3)。不銹鋼的腐蝕會釋放離子，阻礙膜的交換能力，降低燃料電池的性能。金屬雙極板的另一個問題是界面接觸電阻(ICR)，這在大多數情況下不利于耐腐蝕性。不銹鋼越耐腐蝕，ICR就越大。
ICR與被動層緊密相連。鈍化層的厚度和化學成分顯著影響ICR。根據這些參數，裸不銹鋼似乎不夠。然而，不銹鋼上適當的涂層可以解決這個問題。涂層可通過鉭蒸表面合金技術制備。耐腐蝕性和ICR取決于涂層質量，這也與鋼的表面條件相對應。涂層提高了PEMFC環境中的耐腐蝕性并降低了ICR。
對于這項工作，選擇不銹鋼AISI 316L作為參考材料，并在該鋼上制備兩種類型的涂層進行比較。第一層是純鉭，第二層是鉭，上層是Ta2O5和RuO2。兩種涂層都是通過鉭蒸表面合金技術制備。涂層厚度為20–50 μm。樣品為30 mm x 50 mm的薄片。裸316L在測量前通過砂紙P1200進行處理，用水、乙醇沖洗并干燥。僅洗滌和干燥涂覆的樣品。
為每組測量準備模擬PEMFC環境的新鮮溶液。通過將1ml 0.01%氫氟酸和蒸餾水混合至1 l來制備溶液。然后通過使用1mol l-1硫酸將溶液的pH值調節至3。
測量在腐蝕電池中進行，樣品橫向沉積。使用恒溫器將溶液加熱至80℃。以飽和氯化銀為參比電極，鉑絲為對電極，樣品為工作電極，建立了三電極排列的實驗。這種布置用于所有的電化學測量、開路電位、極化電阻、陰極和陽極極化。實驗重復至少兩次，以消除誤差并確保實驗的可重復性。
然后在Thales XT分析中對數據進行評估。模擬PEMFC環境的溶液僅在一系列測量中使用一次，包括開路電位、極化電阻和動態掃描(陰極或陽極)。測量開路電位3600秒，隨后立即測量極化電阻，范圍為-25mVvs。OCP+25mVvs。OCP，掃描率為0.1mV-1。陰極動態掃描設置范圍從+100mv到。OCP到-2v與。ACLE，陽極部分的范圍從-100mvvs。OCP到+2Vvs。陰極動態掃描設置范圍從+100mV對OCP至-2 V對ACLE，陽極部分范圍從-100 mV對OCP至+2V對ACLE，掃描速率5mVs-1。在所有測量過程中，使用氮氣對溶液進行脫氣。
在實驗之前，通過SEM (Tescan Vega 3)拍攝兩種涂層的金相橫截面。圖1顯示了不同的厚度，裸露的鉭涂層具有40-50微米，具有氧化物上層的鉭大約20-25微米。兩層都是均勻無缺陷的，盡管裸露的鉭表面更粗糙。
圖1.涂層橫截面，鉭(左)和鉭與Ta2O5和RuO2上層(右)。
在模擬PEMFC溶液中進行電化學測量后，使用Thales XT分析評估腐蝕指標。 圖2顯示了極化的陽極部分，裸鋼在鈍化狀態下腐蝕，與涂鉭鋼相同。 具有氧化物上層的鉭涂層的曲線不反映涂層的腐蝕反應，而是溶液的化學反應。 陰極部分(圖3)顯示殘余氧和氫去極化減少。 擬合曲線，所有數據總結在表3中。
圖2.稀H2SO4 (pH 3，1 ppm HF，80°C，N2脫氣)范圍內的陽極極化掃描速率為5mV s-1時，相對于OCP為-100 mV，相對于ACLE為+2 V。
圖3.稀釋H2SO4 (pH 3，1 ppm HF，80°C，N2脫氣)范圍內的陰極極化掃描速率為5mV s-1時，相對于OCP為-100 mV，相對于ACLE為+2 V。
比較316L和涂有鉭的316L，涂層改善了腐蝕參數。較高的極化電阻和較低的腐蝕電流密度導致較低的腐蝕速率。陽極Tafel斜率也表明鉭涂層具有更好的鈍化性能。從0.5到2 V相對于ACLE的曲線部分(圖2)表示非導電層。
表3 .316 l和鉭基涂層的電化學參數。
這項研究比較了不銹鋼316L和兩種鉭基涂層，裸鉭和鉭氧化物上層在模擬PEMFC環境。模擬溶液是80°c時pH值為3、含1 ppm氟離子的稀硫酸。鉭涂層似乎不適合用于燃料電池，它耐腐蝕，但其鈍化層不導電。具有氧化物上層的鉭涂層是令人感興趣的，由于導電、耐腐蝕的RuO2，電解質、氧和氫的高電化學活性是預期的。
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