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不锈钢双极板低温等离子氮化后的性能 王剑莉 ，‘孙俊才 。张 凤 (1．长春工业大学基础科学学院，吉林 长春 130012； 2．大连海事大学材料工艺研究所，辽宁 大连 116026) [摘 要] 为了减轻质子交换膜燃料 电池(PEMFC)的质量，降低其生产成本，实现其商业化，以不锈钢取代传统 的双极板材料石墨，对304不锈钢进行低温等离子氮化，研究了氮化后的不锈钢在模拟 PEMFC环境 中的电化学腐 蚀行为以及在 电池工作电位下的接触电阻。结果表明：在低温等离子渗氮过程中不锈钢表面生成了面心立方结构 的氮过饱和固溶体 (^yN相)氮化层，一定程度上改善了不锈钢在模拟 PEMFC环境 中的耐均匀腐蚀能力；~5(PEMFC 工位 电位恒电位极化时，氮化后的不锈钢表面生成了稳定的钝化膜，通入 O2更易于使氮化后的不锈钢钝化；氮化 后的304不锈钢的表面接触 电阻远低于基体，电化学性能和电性能接近于石墨双极板，基本能满足PEMFC双极板 的使用要求。 [关键词] 低温等离子氮化；腐蚀 ；不锈钢 ；质子交换膜燃料 电池 ；接触电阻 [中图分类号]TG174．4 [文献标识码]A [文章编号] 1001—1560(2010)10—0065—03 0 前 言 还未见相关报道。本工作对 340 不锈钢进行低温等离 子氮化，研究了氮化后的不锈钢在模拟 PEMFC环境中 质子交换膜燃料 电池 (PEMFC)具有许多优点，但 的电化学腐蚀行为和在电池工作电位下的接触 电阻， 要得到广泛应用还有一系列 问题亟待解决，如降低制 探讨低温等离子氮化的不锈钢作为双极板的可能性。 造成本 、减轻电池堆的质量 。双极板是 PEMFC的关键 部件 ，起分隔电池堆中单 电池、分配氧化剂和还原剂、 1 试 验 导电导热和支撑等作用 ，其制造成本和质量 占电池堆 的绝大部分。因此，降低双极板的制造成本可 以促进 1．1 低温等离子氮化 PEMFC商业化 ¨“。 基材为 340 不锈钢 ，尺寸为 10mmX10mln×2 用不锈钢替代传统的石墨材料可以降低双极板的 mm。低温等离子氮化在 LDMC．10型脉冲直流辉光放 制造成本，提高 电池堆的体积和质量能量密度 。 电等离子氮化设备上进行：将炉内抽真空至10I2Pa，开 但质子交换膜运行过程 中，位于氢 电极侧 的不锈钢板 始时采用外加辅助 电源加热，200oC后通过脉冲直流电 可能会发生腐蚀；氧电极侧的不锈钢表面会形成不溶 源加热，产生辉光放 电等离子，通人 NH ，气体压强在 性的氧化物钝化层，明显影响双极板和燃料 电池 电极 500—1000Pa；样品经离子轰击加热到370oC，保温2 扩散层的接触电阻，对电传导起阻碍作用。 h后在真空条件下随炉冷却到室温。 等离子体渗氮可在不锈钢表面形成硬且耐磨的渗 1．2 腐蚀环境 氮层，离子渗氮的溅射作用可 以清除工件表面的钝化 模拟 PEMFC环境：O．05mol／LH2SO4，2mg／LF一， 膜 ；另外，不锈钢中添加元素氮有利于提高其耐点蚀 性能 9【J。目前，将低温等离子氮化不锈钢作为双极板 温度 7O℃；向溶液中通人 H2和 O2以模拟 PEMFC的阳 极和阴极 。 1．3 分析测试 [收稿 日期] 2010—05—13 [基金项 目] 国家 自然科学基金资助项 目 采用 D／MAX一3B型x射线衍射仪 (XRD)分析氮 [通信作者] 王剑莉 (197