PEMFC金属双极板的腐蚀性能综述.docxVIP

PEMFC金属双极板的腐蚀性能：综述Renato A. Antunes a,*, Mara Cristina L. Oliveira b, Gerhard Ett b, Volkmar Ett ba Engenharia de Materiais, Universidade Federal do ABC (UFABC), 09210-170 Santo Andre′, SP, Brazilb Electrocell Ind. Com. Equip. Elet. LTDA, Centro de Inovac?a?o, Empreendedorismo e Tecnologia (CIETEC), 05508-000 Sa?o Paulo, SP, Brazil摘要：质子交换膜燃料电池因其相对其他电池有较高的转换效率和环境友好的特点在动力电源领域引起人们的广泛关注。双极板是燃料电池的关键组成部分，其质量和成本在燃料电池中占很大比重。相比石墨双极板，金属双极板有着更高的机械强度和更小的电阻，但是因为在金属表面会逐渐生成氧化层，从而导致电阻增大，降低燃料电池的效率，所以金属双极板的抗腐蚀性能得到很广泛的关注。本文介绍了最近文献中对金属双极板腐蚀性能的研究结果。关键词：PEM燃料电池；金属双极板；腐蚀；不锈钢；镀层1 绪论CO2,NOX和SOX等导致温室效应气体的过量排放使全球气候逐渐变暖，因此使用较小污染的能源作为化石能源的替代显得尤为重要[1,2]。在众多新颖的技术研究中，质子交换膜燃料电池有着能量密度高，启动速度快，启动温度低和导致温室效应的气体排放量低等特点，开始被用作汽车和公共汽车的动力[3]。通用汽车，福特，丰田和标志等较大的汽车生产厂商都在进行燃料电池电动车的开发,在2008年夏天，本田第一款商业燃料电池汽车投放美国市场[4]。然而，与常规的内燃机相比，要完全达到汽车产业化的要求，就需要克服燃料电池的寿命和成本的问题[5]。PEM燃料电池的主要组成部分是双极板和膜电极（MEA）,MEA由质子交换膜，气体扩散层（GDL）和催化剂层组成。结构示意图见图1。双极板是燃料电池堆中的关键组成部分，它的质量、体积和成本在很大程度上决定了电堆的总质量、总体积和总成本。Tsuchyia和Kobayashi[6]提出，双极板质量占电堆总质量的80%，其成本占电堆总成本的45%。最近数据表示，其成本降低到电堆总成本的25%[7]，不过依然是很大比重。此外，双极板在燃料电池堆中起着导出电流，在每个单体电池中均匀地分配燃料和氧化剂，分隔每个单体电池和促进单池的水管理等重要作用[8]。为了实现这些功能，许多种材料都曾用来制作双极板。美国能源部（DOE）提出了可以被用来制作双极板的材料需要的条件，见表1。必须达到表中所示全部技术条件才有可能被用作双极板的材料。早期使用无孔石墨板作为双极板材料，因为石墨有着很高的电导率，在燃料电池这种比较特殊的条件下也有很好的化学稳定性，但是其缺点是易碎，缺乏机械强度，此外流道的加工成本很高也限制了石墨双极板的大规模制作[9]。作为纯石墨的替代使用聚合物与石墨粉的混合物可用来制作复合双极板，使用工业上成型的热塑性塑料的喷射模塑法或热固塑料的BMC法可以大规模的制作。这种石墨基体的复合双极板可以用聚丙烯（PP），硫化聚亚苯（PPS），酚醛树脂和乙烯基酯树脂作掺杂物[10-14]。聚合物的掺杂使是双极板有了一定的柔韧性，增强了双极板的机械强度，而且对双极板的化学稳定性也没有太严重的影响。但是，由于聚合物为绝缘体，它的掺杂在一定程度上加大了双极板的电阻。因此，有必要设计保证机械性能的同时又不牺牲电传导性的复合双极板。尽管复合双极板有着重量小，产量高和化学性能稳定的优点，但就整体性能来说，与金属双极板相比，复合双极板较低的机械强度和导电性差两个缺点尤为明显。考虑到燃料电池在交通工具上的应用，冲击和震动可能会导致电池破裂和反应物泄露，在这方面上，金属双极板有着更好的稳定性。Cunningham[15]的研究数据表明金属双极板的导电性是复合双极板的一千多倍，此外加工成本较低使金属双极板在燃料电池市场上更有竞争力[16]。但是，在PEM燃料电池的酸性且湿润的条件下，金属双极板表面容易被腐蚀，从而降低了双极板的性能，这是金属双极板推广面临的巨大障碍。燃料电池工作温度在80℃左右，pH值为2~4，在这种条件下金属表面会分解，而溶解的离子会毒害膜电极降低燃料电池的输出功率[17,18]，而且双极板表面钝化降低了它的导电性。因此，表面氧化物的生成增大了双极板的接触电阻，依然对燃料电池的转换效率产生不利影响，这些影响抵消了高电导率带来的好处[19]。上述的问题可以通过在金属双极板表面涂镀的办法克服或适当减小影响[20]，很多种涂镀方法都被用来