Покрытие металлической биполярной пластины

Покрытие металлической биполярной пластины – Cheersonic

Металлы и сплавы обладают хорошими механическими свойствами и электропроводностью, а также дешевы; пассивирующие пленки легко образуются на поверхности металла в рабочей среде. Хотя эти пассивирующие пленки замедляют скорость коррозии, проводимость этих пассивирующих пленок низкая, что приводит к Выходная мощность и срок службы топливного элемента снижаются. Электропроводность и коррозионная стойкость металлических материалов в условиях эксплуатации противоречивы. Как разрешить это противоречие и добиться разумного соответствия между проводимостью и коррозионной стойкостью материалов, является основным узким местом в усовершенствовании технологии металлических биполярных пластин. В настоящее время наиболее эффективным способом решения проблемы проводимости и коррозионной стойкости является изменение поверхности металла. Металлическая биполярная пластина с покрытием может улучшить коррозионную стойкость биполярной пластины, обеспечивая при этом хорошую проводимость, гарантируя полную Срок службы системы увеличен. Однако характеристики модифицированных поверхностных покрытий из разных металлических материалов различаются, поэтому выбор правильной основы и материала покрытия является ключом к широкому применению металлических биполярных пластин.

Металлическая основа с двойной стандартной пластиной

Основные материалы металлических биполярных пластин в основном включают нержавеющую сталь, алюминий и титановые сплавы. Такие материалы обладают высокой прочностью, хорошей ударной вязкостью, а также хорошей электропроводностью и технологическими свойствами. Например, проводимость металлической биполярной пластины может в 10-100 раз превышать проводимость графита, а из-за ее превосходных механических свойств толщина металлической биполярной пластины может быть менее 1 мм, что может значительно уменьшить объем аккумуляторной батареи. Однако металлические материалы подвержены коррозии в окружающей среде батареи (pH = 2 ~ 3, T = 80 ° C), что приводит к снижению производительности батареи.

Хотя металлическая биполярная пластина имеет хорошую прочность, в основном она может соответствовать требованиям к механическим характеристикам биполярной пластины. Однако металлическая биполярная пластина имеет плохую коррозионную стойкость в среде топливного элемента с протонообменной мембраной, а растворенные ионы металла могут отравить протонообменную мембрану, что приведет к снижению производительности батареи. Коррозионную стойкость металлической биполярной пластины можно улучшить, добавив к металлическому материалу некоторые легирующие элементы. Причина в том, что эти легирующие элементы будут образовывать оксиды в рабочей среде. Эти оксиды оказывают изолирующее и пассивирующее действие на поверхность металла и уменьшают количество материала. Скорость коррозии. Однако низкая проводимость этих оксидов снижает выходную мощность и срок службы топливного элемента. Состав материала отличается, толщина оксидной пленки, образованной на поверхности, также разная, и порядок увеличения толщины оксидной пленки в основном такой же, как порядок увеличения контактного сопротивления. Видно, что при улучшении коррозионной стойкости металлической биполярной пластины ее проводимость снижается, а увеличение коррозионной стойкости обратно пропорционально уменьшению проводимости. Хотя добавление легирующих элементов к металлу может улучшить проводимость пассивирующей пленки, оно не может удовлетворить эксплуатационные требования биполярной пластины. Следовательно, металлические материалы нельзя использовать непосредственно в качестве биполярных пластин.

Материал покрытия металлической биполярной пластины

Ввиду противоречия между проводимостью и коррозионной стойкостью металлических материалов текущее решение состоит в основном в модификации поверхности металлической биполярной пластины, и наиболее исследованным является покрытие поверхности металла. Поскольку механические и физико-химические свойства материала покрытия и подложки из металла и сплава различаются, необходимо выбрать материал покрытия с хорошим согласованием и сцеплением с подложкой, чтобы избежать электрохимической коррозии в окружающей среде батареи. Здесь материалы покрытия классифицируются и вводятся в соответствии с матрицей нержавеющей стали и матрицей из легких металлов и сплавов.

(1) Биполярное покрытие пластины из нержавеющей стали

Нержавеющая сталь обладает превосходными электропроводными / тепловыми свойствами, коррозионной стойкостью и механическими свойствами и является лучшим выбором для материалов биполярных пластин. Однако этот вид материала имеет плохую коррозионную стойкость в окружающей среде батареи, а проводимость пассивирующей пленки, образующейся на поверхности, низкая.Когда контактное сопротивление увеличивается на 25 мОм · см2, мощность батареи теряется на 2–5% [16]. Ключевой технологией исследований и разработок стало то, как выбрать подходящее покрытие или применить соответствующий метод обработки поверхности для улучшения коррозионной стойкости и химической стабильности биполярной пластины из нержавеющей стали при одновременном снижении контактного сопротивления. Материалы покрытий из нержавеющей стали в основном включают графит, проводящие полимеры, нитриды металлов, карбиды металлов и драгоценные металлы.

В настоящее время широко используемые материалы из нержавеющей стали в основном включают сплавы SS304, SS316 и SS446. Плотность тока коррозии основного материала из нержавеющей стали SS304 без покрытия в аккумуляторной среде составляет 2,6 мкА / см2, а контактное сопротивление составляет 140 мОм · см2; когда слой NbC нанесен на основной материал SS304, плотность тока коррозии и сопротивление контакта могут быть соответственно уменьшены. До 0,051 ~ 0,058 мкА / см2 и 8,47 мОм · см2, коррозионная стойкость и электропроводность матрицы SS304 значительно улучшены. Когда поверхность покрыта слоем высокомолекулярного полимера (такого как полипиррол или полианилин), его плотность тока коррозии и контактное сопротивление будут ниже, чем у покрытия NbC (плотность тока коррозии составляет 0,1 ~ 1,0. мкА / см2, контактное сопротивление 0,08 ~ 1,0 мОм · см2).

(2) Покрытие биполярной пластины из легкого металла

Как легкие металлы, титан и титановые сплавы, алюминий и алюминиевые сплавы обладают характеристиками высокой удельной прочности, хорошей теплопроводности и электропроводности, а также простотой обработки. Они являются хорошими материалами для изготовления биполярных пластин. Они имеют преимущество в повышении удельной мощности аккумуляторных блоков и особенно подходят. Биполярные пластины для топливных элементов с протонообменной мембраной специального назначения. Здесь мы в основном представляем основу и материалы покрытия из алюминиевого сплава, а также материалы основы и покрытия из титанового сплава.

① Подложка и покрытие из алюминиевого сплава
По сравнению с нержавеющей сталью, алюминиевый сплав имеет преимущества низкой плотности (на 65% легче нержавеющей стали), низкого удельного сопротивления (1/5 от нержавеющей стали), высокой теплопроводности (в 8 раз больше, чем у нержавеющей стали) и простоты обработки. Коррозионная стойкость в окружающей среде низкая и не может соответствовать требованиям к характеристикам биполярной пластины. Поэтому для использования на биполярной пластине алюминиевый сплав должен быть обработан.

② Подложка и покрытие из титанового сплава
Материалы из титанового сплава обладают такими преимуществами, как низкая плотность, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость и простота обработки. Однако поверхность титановых сплавов также образует пассивную пленку при высоких температурах или кислотных условиях, что приводит к увеличению контактного сопротивления между диффузионным слоем мембранного электрода и биполярной пластиной. Большой, снижает выходную мощность топливного элемента. Поскольку на поверхности титанового сплава легко образуется пассивная пленка с низкой проводимостью, титановый сплав нельзя напрямую использовать в качестве биполярной пластины. Подобно нержавеющей стали и алюминиевым сплавам, титановые сплавы могут иметь покрытие на поверхности, чтобы улучшить их коррозионную стойкость и электропроводность, чтобы соответствовать требованиям к характеристикам биполярных пластин. Таким образом, титановый сплав и нержавеющая сталь более подходят в качестве основного материала биполярной пластины, чем алюминиевый сплав.

Подготовка покрытия биполярной пластины топливного элемента

С помощью технологии ультразвукового напыления можно получить покрытия катализатора на углеродной основе с высокой однородностью и высокой плотностью, такие как нанесение платинового углерода, палладиевого углерода, рутениевого углерода и других каталитических покрытий на протонообменные мембраны Nafion, которые являются плотными и однородными без набухания. Поэтому технология ультразвукового напыления широко рассматривается в промышленности как ключевая технология изготовления мембранного электрода топливного элемента с протонообменной мембраной. Оборудование для ультразвукового распыления можно распылять на множество различных металлических сплавов, включая подготовку каталитических покрытий топливных элементов на основе платины, никеля, иридия и рутения, а также PEM, GDL, DMFC (топливные элементы с прямым метанолом) и SOFC (твердые оксидные топлива) Аккумулятор) изготовление. Аккумулятор, изготовленный по этой технологии, обладает характеристиками высокой нагрузки аккумулятора и высокой эффективности аккумулятора.