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具有低接触电阻的燃料电池双极板用Ti-Al-Ta合金

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材料工程 2024年

作者：宋梦凡王清董闯大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室大连交通大学材料科学与工程学院

表面制备涂层后的钛及钛合金作为质子交换膜燃料电池双极板具有优良的综合性能，但裸板在服役过程中会形成导电性不良的钝化膜，降低了整机效率。本文研究α型耐蚀钛合金Ti35（Ti5Ta）及其Al合金化的可行性，试图在保证耐蚀性的前提下... 详细信息

表面制备涂层后的钛及钛合金作为质子交换膜燃料电池双极板具有优良的综合性能，但裸板在服役过程中会形成导电性不良的钝化膜，降低了整机效率。本文研究α型耐蚀钛合金Ti35（Ti5Ta）及其Al合金化的可行性，试图在保证耐蚀性的前提下，提高裸板的导电性。利用团簇式成分设计方法，结合相图上的最高固溶度，设计了成分为Ti-7Ta、T-i8.3Ta、Ti-9.6Ta三种Ti-Ta合金以及成分为Ti-2.6Al-5.8Ta、Ti-3.8Al-8.6Ta、Ti-5Al-11.3Ta三种Ti-Al-Ta合金。测试结果可知，在模拟阴极服役环境(0.5 mol/L H2SO4+ 2 ×10-6HF)0.6 V（vs SCE）下恒电位极化4 h，所设计合金阴极极化电流密度均小于参照合金TC4，其中Ti-8.3Ta 合金最小为0.72 μA/cm2。在1.5 MPa加载压力下，随着Ta含量的增加，接触电阻ICR值逐渐降低，且均优于纯钛和TC4合金，Ti-3.8Al-8.6Ta 合金的接触电阻最小，为18.34 mΩ·cm-2，其阴极极化电流密度为0.91 μA/cm2。综上表明，Ta和Al的适量添加能够有效提升钛合金双极板的服役性能，有望实现无涂层制备的钛合金双极板材料。

关键词：钛合金双极板耐蚀性界面接触电阻钝化膜

钛表面镀钯及其在模拟PEMFC双极板工作环境中的性能研究

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钛表面镀钯及其在模拟PEMFC双极板工作环境中的性能研究

作者：吴佳琦北京化工大学

学位级别：硕士

双极板是质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）的核心部件之一,需要具有良好的导电性、耐蚀性和低成本等特点。在双极板基材中,具有优异耐腐蚀性能的钛越来越受到研究者们的关注。然而,钛表面致密的氧化膜... 详细信息

双极板是质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）的核心部件之一,需要具有良好的导电性、耐蚀性和低成本等特点。在双极板基材中,具有优异耐腐蚀性能的钛越来越受到研究者们的关注。然而,钛表面致密的氧化膜会影响其导电性能,因此需要对钛基材作表面处理,使其在保持高耐蚀性的同时拥有良好的导电性能。本工作采用电沉积方法,在工业纯钛TA2表面制备钯和钯镍合金镀层,研究其在模拟PEMFC双极板工作环境下（80℃的0.5 mol/L H2SO4+2 ppm F-溶液）的耐蚀性、稳定性和导电性等,结合表面组织形貌观察和成分分析,揭示了基材表面活化层、镀层热处理对其性能的影响。结果表明:（1）对TA2钛表面作不同活化处理,其中阳极电解活化后试样表面粗糙度增加,活化后镀层与基体结合力最佳。该活化层主要由Ti F2和少量Ti O2组成,而Ti F2可分别与镀层和基体形成金属键,使得后续镀层能良好地附着。（2）通过对不同电沉积方法所得钯和钯镍镀层的表征、性能等对比分析,得出最优的钯和钯镍镀层电沉积方法为恒电流电镀,最优的沉积电流密度为1.4 A/cm2。通过一步沉积所得钯镀层厚度在6μm左右,钯元素主要以金属态形式存在,晶粒尺寸为27.174 nm。钯镀层自腐蚀电流密度为1.262×10-6A/cm2,相比于基体钛降低了两个数量级。钯镀层界面接触电阻（Interfacial Contact Resistance,ICR）为3.397 mΩ/cm2,相比于基体钛降低了一个数量级,满足美国能源部DOE（Department of Energy）2020年对于PEMFC双极板的导电性能要求（<10 mΩ/cm2）。通过一步沉积所得钯镍镀层厚度在3μm左右,钯、镍元素主要以固溶体的形式存在,晶粒尺寸为21.141 nm。钯镍镀层耐蚀性能与钯镀层相当,稳定性能较差。镀层ICR为1.372 mΩ/cm2,满足导电性能要求。（3）在一步沉积钯镀层的基础上,继而进行第二步沉积钯和钯镍,并对两步沉积时间作影响探究。由于第二步沉积镀层的形核势垒降低,使得晶粒发生细化,镀层各方面性能得到大幅提升。通过两步沉积所得的钯镀层厚度在8μm左右,晶粒尺寸为19.089 nm;所得钯镍镀层厚度在4μm左右,晶粒尺寸为7.355 nm。两步沉积所得镀层自腐蚀电流密度在10-7A/cm2数量级,相比于一步沉积均下降半个数量级,满足美国能源部DOE2020年对于PEMFC双极板的耐蚀性能要求(<1×10-6A/cm2)。在恒电位极化下(+0.6 VSCE),两步沉积所得镀层电流密度相比于一步沉积均下降一个数量级,镀层稳定性提高。两步沉积所得镀层ICR均低于3mΩ/cm2,满足导电性能要求。（4）热处理后镀层的自腐蚀电流密度均在10-7A/cm2数量级,这是由于热处理消除了部分镀层吸氢带来的内应力,镀层耐腐蚀性能大幅提升。在恒电位极化下,热处理后镀层电流密度均下降一个数量级,镀层稳定性提高。热处理后镀层ICR均低于6 mΩ/cm2,这是因为适宜的热处理温度并未使得镀层金属元素发生明显氧化,对镀层的导电性能无较大影响。热处理后镀层性能满足美国能源部DOE 2020年对于PEMFC双极板的耐蚀性能、导电性能要求。

关键词： PEMFC 钛双极板恒电流电镀钯界面接触电阻

PEMWE钛双极板表面碳化钛复合涂层制备与性能研究

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绿色科技 2024年第12期26卷 246-250,256页

作者：王银虎肖天涛宋智慧刘月张衡王新东北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083

质子交换膜电解池中钛双极板起着传导电流、支撑结构以及传输水气的作用,但在酸性富氧高极化环境中,其表面容易氧化和腐蚀,导致电解效率下降。采用氮气雾化喷涂-热处理的方法在TA1钛基体表面制备碳化钛/环氧树脂/聚酰亚胺复合涂层。复... 详细信息

质子交换膜电解池中钛双极板起着传导电流、支撑结构以及传输水气的作用,但在酸性富氧高极化环境中,其表面容易氧化和腐蚀,导致电解效率下降。采用氮气雾化喷涂-热处理的方法在TA1钛基体表面制备碳化钛/环氧树脂/聚酰亚胺复合涂层。复合涂层中碳化钛颗粒主要提供高导电性和耐蚀性,而黏结剂主要提高涂层与基体的结合力。当黏结剂中环氧树脂与聚酰亚胺树脂质量比为4∶1时制备的样品表面均匀无裂纹,在140 N/cm^(2)压力下,该样品的接触电阻(1.35 mΩ/cm^(2))比钛基体低了28.95%。在1.8 V(相对于可逆氢电极)恒电位极化过程中,具有碳化钛复合涂层的样品表现出更低的极化电流密度和更高的稳定性。

关键词：质子交换膜钛双极板碳化钛氮气雾化喷涂界面接触电阻

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碲化铋基热电器件的界面研究进展

铜业工程 2024年第3期 31-39页

作者：武云笑夏凯阳胡惠平张宇付晨光朱铁军浙江大学材料科学与工程学院浙江杭州310058 浙江大学温州研究院浙江温州325035

热电转换技术是一种直接将电能和热能相互转换的技术,在航空航天、新型能源、电子通信等领域具有重要的应用价值。碲化铋材料是最早被发现的半导体热电材料之一,它在室温附近所展现出的优异热电性能,使碲化铋基热电器件成为目前唯一成... 详细信息

热电转换技术是一种直接将电能和热能相互转换的技术,在航空航天、新型能源、电子通信等领域具有重要的应用价值。碲化铋材料是最早被发现的半导体热电材料之一,它在室温附近所展现出的优异热电性能,使碲化铋基热电器件成为目前唯一成功商业化应用的热电器件。近年来,随着5G光通信和电子芯片行业对新型制冷技术需求的持续增长,热电制冷器件的应用备受瞩目。此外,碲化铋基发电器件在低温废热回收领域也具有巨大的应用前景。然而,碲化铋基热电器件发展仍然存在一些挑战,其中器件的界面问题严重制约了其产业化应用。尤其在发电器件制备方面,仍然缺乏有效的高温界面阻挡层材料。本文从碲化铋基热电器件应用面临的界面问题出发,重点介绍相关界面研究进展,阐述界面对器件性能的影响机制,并分析改善界面性能的有效策略。

关键词：热电器件界面性能界面接触电阻界面结合强度扩散阻挡层

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超声-电阻复合焊接方法及界面行为

焊接学报 2018年第3期39卷 26-30页

作者：杨景卫曹彪卢清华佛山科学技术学院机电工程学院佛山528000 华南理工大学机械与汽车工程学院广州510640

有色金属微型零件超声焊接时,由于焊头面积小,输入焊接区域能量少,界面有效连接面积不足,影响焊接接头的力学性能.针对这一问题,结合超声焊接与电阻焊的特点,研制了超声-电阻复合焊接系统.对铜、铝异种金属进行了超声-电阻复合焊接工艺... 详细信息

有色金属微型零件超声焊接时,由于焊头面积小,输入焊接区域能量少,界面有效连接面积不足,影响焊接接头的力学性能.针对这一问题,结合超声焊接与电阻焊的特点,研制了超声-电阻复合焊接系统.对铜、铝异种金属进行了超声-电阻复合焊接工艺试验,并与相同工艺条件下的超声焊接进行了对比.结果表明,电流对超声能的输出有促进作用,使换能器的峰值功率有明显的增加;超声使焊接起始阶段界面接触电阻迅速减小并消失;在复合能量的作用下,输入焊接区域总能量有较大提高,焊接区域温度和加热速率显著增加.

关键词：超声-电阻复合焊接超声焊接有功功率界面接触电阻

n型B_(i2)Te_(3)基材料表面处理对热电单元性能的影响

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无机材料学报 2023年第2期38卷 163-169页

作者：华思恒杨东旺唐昊袁雄展若雨徐卓明吕嘉南肖娅妮鄢永高唐新峰武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070

Bi_(2)Te_(3)基微型热电器件的尺寸越小,界面结合强度及接触电阻对于器件力学性能、开路电压以及输出功率等的影响就越显著。因此开发成本低、工艺简单的热电单元制备技术,并使n型Bi_(2)Te_(3)基块体材料与阻挡层间的界面兼具低接触电... 详细信息

Bi_(2)Te_(3)基微型热电器件的尺寸越小,界面结合强度及接触电阻对于器件力学性能、开路电压以及输出功率等的影响就越显著。因此开发成本低、工艺简单的热电单元制备技术,并使n型Bi_(2)Te_(3)基块体材料与阻挡层间的界面兼具低接触电阻、高结合强度具有重要意义。本工作将n型Bi_(2)Te_(3)基热电材料薄片在混合酸溶液(pH~3)中进行表面处理,随后进行化学镀Ni(5μm),再与Cu电极焊接制备得到热电单元。腐蚀后,n型Bi_(2)Te_(3)基热电材料表面大的沟壑与Ni阻挡层间形成锚固效应,腐蚀6 min的材料结合强度高达15.88 MPa。大沟壑表面进一步腐蚀后出现的精细分支与Ni阻挡层间形成纳米孔洞,显著增大了界面接触电阻,腐蚀2 min的材料达到2.23Ω·cm^(2)。最终,腐蚀4 min后镀Ni的n型Bi_(2)Te_(3)基热电片材与p型Bi_(2)Te_(3)基热电片材制备的微型热电器件在20 K温差(高温端306 K,低温端286 K)下的输出功率高达3.43 mW,相较于商用电镀镀层制备的同尺寸器件提升了31.92%。本工作将为微型热电器件的性能优化提供支撑。

关键词： Bi_(2)Te_(3) 界面结合强度界面接触电阻镍阻挡层微型热电器件

质子交换膜燃料电池用6061铝合金极板表面类石墨碳涂层的导电耐蚀性能

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稀有金属材料与工程 2022年第1期51卷 1-5页

作者：邵文婷伍翔宇蒋百铃陈建杨巍西安工业大学材料与化工学院陕西西安710021 西安工业大学陕西西安710021 西安理工大学陕西西安710048

为了获得6061铝合金极板表面类石墨碳涂层抗质子酸腐蚀的临界厚度和界面接触电阻的降低量值,采用磁控溅射方法在6061铝合金极板表面制备了一系列类石墨碳涂层。表征了类石墨碳涂层的微观结构,分析了涂层的界面接触电阻、耐蚀性和稳定性... 详细信息

为了获得6061铝合金极板表面类石墨碳涂层抗质子酸腐蚀的临界厚度和界面接触电阻的降低量值,采用磁控溅射方法在6061铝合金极板表面制备了一系列类石墨碳涂层。表征了类石墨碳涂层的微观结构,分析了涂层的界面接触电阻、耐蚀性和稳定性。结果表明,6061铝合金极板表面耐质子交换膜燃料电池阴极环境腐蚀的类石墨涂层临界厚度为0.97μm。与低碳靶电流条件下制备的涂层相比,碳靶电流4.5 A时制备的涂层表面更加光滑;此时,类石墨碳涂层的界面接触电阻最小,为16 mΩ·cm^(2),是石墨极板接触电阻的2倍。

关键词：类石墨碳涂层铝合金极板界面接触电阻耐蚀性

低温恒电流氮化提高316L不锈钢导电及耐腐蚀性能

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表面技术 2022年第4期51卷 365-374页

作者：崔红兵田世艳张茂彩王誉辛博包头稀土研究院白云鄂博稀土资源研究与综合利用国家重点实验室内蒙古包头014030 中核北方核燃料元件有限公司内蒙古包头014030

目的解决恒电位电化学氮化时高的过电位引起的析氢反应对316LSS综合性能的恶化,提出采用恒电流技术对其进行电化学氮化改性,并确定最佳的试验参数。方法借助于循环伏安、计时电位,交流阻抗和动电位极化等电化学方法,扫描电镜及X射线光... 详细信息

目的解决恒电位电化学氮化时高的过电位引起的析氢反应对316LSS综合性能的恶化,提出采用恒电流技术对其进行电化学氮化改性,并确定最佳的试验参数。方法借助于循环伏安、计时电位,交流阻抗和动电位极化等电化学方法,扫描电镜及X射线光电子能谱分析,研究还原电流密度对316LSS表面形貌、耐腐蚀性能、疏水性能和接触电阻等的影响。结果还原电流密度为5 mA/cm^(2)时,反应后表面形成的氮掺杂凸起结构呈现明显的疏水性能,最大疏水角为103.7°。140 N/cm^(2)的压紧力下,界面接触电阻为8.9 mΩ·cm^(2),在0.5 mol/L H_(2)SO_(4)+5 mg/L F–的测试电解质中,腐蚀电流密度为0.025μA/cm^(2)。同一极板在阴、阳极总共长达13 h的耐久性测试中,腐蚀电流密度均小于1μA/cm^(2),且腐蚀后表面只出现了少量的腐蚀坑。结论316LSS在0.5 mol/L KNO_(3)+0.1 mol/L HNO_(3)的混合溶液中,经恒电流氮化改性后,综合性能明显提高。恒电流电化学改性过程中,316LSS钝化膜中氧化铁膜层的选择性溶解和氧化铬被氮掺杂,两者共同作用提高了316LSS的稳定性和电导率。证明了恒电流电化学氮化改性316LSS双极板可以达到比恒电位更好的效果,这为低成本、长寿命的金属双极板开发提供了新的可选方案。

关键词：奥氏体不锈钢双极板氮化电化学处理界面接触电阻 PEMFC

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SPE电解水用多孔扩散层聚苯胺涂层的表面改性

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电镀与涂饰 2022年第9期41卷 647-653页

作者：申桂鑫单东方彭善龙王冬冬张衡刘月王新东北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083

采用酸蚀−恒电流法在多孔扩散层上合成聚苯胺(PANI)涂层,考察了制备条件对涂层接触电阻的影响。通过扫描电镜观察、动电位极化测量、恒电位极化测量、界面接触电阻测量和亲水性测试,研究了PANI涂层的表观形貌、耐腐蚀性能、导电性能和... 详细信息

采用酸蚀−恒电流法在多孔扩散层上合成聚苯胺(PANI)涂层,考察了制备条件对涂层接触电阻的影响。通过扫描电镜观察、动电位极化测量、恒电位极化测量、界面接触电阻测量和亲水性测试,研究了PANI涂层的表观形貌、耐腐蚀性能、导电性能和亲水性能。结果表明,在H2SO4浓度为0.75 mol/L,电流为1.0 mA,聚合时间为1200 s的条件下,PANI涂层界面接触电阻降低至0.45 mΩ·cm^(2)。PANI改性使得钛基体在0.5 mol/L H_(2)SO_(4)+5 mg/L F−的混合溶液中耐腐蚀性提高,且在电解过程中稳定性更好。在1.7 V(相对于标准氢电极)的恒电位极化过程中,PANI涂层明显地降低了界面接触电阻的增长速率。经PANI改性的样品有着更好的亲水性,在电解过程中更有利于水的反应。

关键词：固体聚合物电解水气液扩散层聚苯胺电化学合成表面改性界面接触电阻亲水性