高氮不锈钢在模拟PEM燃料电池环境中的电化学性能

1、高氮不锈钢在模拟燃料电池环境中的电化学性能    黄景峰，刘峰，唐君    （辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺）    摘要：以高氮不锈钢为研究对象，不锈钢作对比，在模拟燃料电池环境中测试二者的极化曲线和交流阻抗，运用相关软件分析曲线和数据。实验结果表明：高氮不锈钢的自腐蚀电流密度和维钝电流密度分别比不锈钢低和，说明高氮不锈钢比不锈钢有更好的耐腐蚀性；高氮不锈钢的电荷转移电阻比不锈钢高×倍，而且高氮不锈钢的弥散指数（）比不锈钢的弥散指数（  

2、;）更接近，这表明高氮不锈钢的钝化膜比不锈钢的厚而且光滑。    关键词：高氮不锈钢；燃料电池；极化曲线；交流阻抗    中图分类号：文献标识码：文章编号：（）    质 子 交 换 膜 （，）燃料电池是一种高比功率、高转化效率、低环境污染的氢能转化装置。双极板是燃料电池的核心部件之一，占电池组质量和成本的很大部分，具有隔离并均匀分配反应气体、收集并导出电流、串联各个单电池等功能，因此，理想的双极板应具有很高的导电导热性、耐腐

3、蚀性、低密度、高机械强度、高阻气能力，以及低成本、易加工等特点。双极板材料可分为石墨类、金属类和复合材料三大类。金属材料的导电导热性能好，资源丰富，而且强度高，可以显著降低双极板厚度，从而提高燃料电池的比功率，现有的金属加工工艺成熟，可实现批量化生产，具有低成本的潜力，金属可以防止水腔中冷却剂向电池两极扩散，尤其适用于可低温启动的燃料电池系统，因此，金属是理想的燃料电池双极板材料。但是，在燃料电池的环境下，金属双极板易发生腐蚀，产生金属离子进而对电池的膜电极组件等产生不良影响，而耐蚀金属表面通常有氧化物膜存在，这导致了电池内部高接触电阻，减少了能量的输出。   &

4、#160;国内外已广泛开展对不锈钢以及表面改性之后在双极板上应用的可行性研究，其中，表面改性的方法包括：电聚合石墨聚吡咯层、空心阴极放电离子镀层、电弧离子镀铬氮化物层等。高氮 不 锈 钢（，），指铁素体基体中氮质量分数超过或奥氏体基体中氮质量分数超过的不锈钢，其中的氮元素能提高耐腐蚀性。高氮不锈钢作为金属双极板材料不仅具备金属材料的优点，同时还比一般的金属材料包括常见的不锈钢（、等）耐腐蚀。常见的不锈钢用于燃料电池通常需要表面改性，本文将高氮不锈钢作为研究对象，不锈钢作为对比，用   溶液模拟燃料电池环境，测试其交流阻抗和极化曲线，以

5、分析其直接应用在双极板上的可能性。    实验部分    试样及仪器    实验所用试样为不锈钢和高氮不锈钢（），其成分见表。主要实验仪器见表。        实验方法    试样截面分别加工成×，厚度为。试样一端用铜导线相连，用环氧树脂封装在塑料管内，只露出一个×的面。用耐水砂纸将试样打磨，抛光，分别用去离子水、无水乙醇、丙酮清洗。采用

6、电化学工作站测试其交流阻抗和极化曲线。采用 溶液，在室温下，采用三电极体系（如图所示），辅助电极为石墨电极（圆柱形石墨片，直径，厚度），参比电极为饱和甘汞电极（），工作 电极为试样 。试 样放入电解质溶液中，如果自腐蚀电极电位的变化小于，则认为达到稳定状态。交流阻抗的范围为  ，阻抗测试信号为幅值的正弦波。采用型扫描电子显微镜观察腐试样蚀后的表面形貌。为了消除表面的氧化膜，从低于自腐蚀电极电位的电极电位开始线性扫描，扫描速率为，扫描范围为 。本文中电极电位均相对于饱和甘汞电极电位。   

7、0;     结果与讨论    极化曲线    不锈钢和高氮不锈钢在溶液中的极化曲线如图所示。由图中可以看出：开始从低于自腐蚀电极电位，随着电极电位的升高，不锈钢和高氮不锈钢的电流密度减小到一个极小值，此时高氮不锈钢的腐蚀电流密度大于不锈钢；随后增大到一个极大值，此时高氮不锈钢的腐蚀电流密度小于不锈钢（这个过程被称为活化区）。接下来，电极电位继续升高，电流密度又开始减小，直到减小到一个较低的值（这个过程被称为转化区），随后进入钝化区。在钝化区，电极电位继续升高，电流

8、密度围绕上下浮动，直到电极电位大概为的时候，电流密度才继续增加（这个过程被称为过钝化）。在电解质溶液中，不锈钢和高氮不锈钢中的和元素与氧化性介质（、等）在金属表面生成一层薄而致密的和的氧化物，被称作钝化膜，钝化膜可将金属基体与腐蚀性溶液介质隔离开，保护金属基体避免被进一步腐蚀。图中钝化区的电流密度上下浮动，表明金属的钝化膜存在溶解和再生的过程。在整个钝化区可以看到高氮不锈钢的腐蚀电流密度始终小于不锈钢，这表明高氮不锈钢比不锈钢耐腐蚀。        运用软件对不锈钢和高氮不锈钢的极化曲线进行分析，其中，代表自腐蚀电

9、位，代表自腐蚀电流密度，代表维钝电流密度，代表在阳极电压为的腐蚀电流密度，代表在阴极电压为的腐蚀电流密度。结果见表。从表中可以看出：高氮不锈钢的自腐蚀电流密度低于不锈钢的自腐蚀电流密度；在燃料电池工作环境下，阳极和阴极的工作电压分别为和，在此电压下高氮不锈钢的腐蚀电流密度均低于不锈钢；高氮不锈钢的维钝电流密度也低于不锈钢。以上三点表明：在溶液中，高氮不锈钢比不锈钢耐腐蚀。美国能源部的双极板性能的要求为试样的腐蚀电流密度小于，不锈钢和高氮不锈钢的维钝电流密度和阴极阳极电压下的腐蚀电流密度均满足此要求。另外，不锈钢在阳极电压下的腐蚀电流密度与阴极的相差不大，而高氮不锈钢在阴极电压下的腐蚀电流密度比

10、阳极的高出。        交流阻抗    图和图分别是不锈钢和高氮不锈钢的交流阻抗谱曲线。利用交流阻抗软件，采用图所示的等效电路模型，即模型（），对不锈钢和高氮不锈钢进行拟合，得到结果见表。图中代表从参比电极的鲁金毛细管口到被研究的电极之间的溶液电阻，代表电荷转移电阻（它反映的是电极过程中，电荷穿过电极和电解质溶液两相界面的转移过程这一步骤的难易程度，即的值越大，表示其钝化膜越难被穿透），代表常相位角元件（因为在实验中发现，固体电极的双电层电容的频响特性与“纯电容”并不一致

11、，而有或大或小的偏离，即弥散效应，所以用等效替代钝化膜表面双电层形成的电容）。             表为软件对不锈钢和高氮不锈钢的拟合结果。代表电荷转移电阻，的值越大，说明钝化膜越难以被穿透；从表中可以看到高氮不锈钢的的值大于不锈钢的的值，表明不锈钢的钝化膜比高氮不锈钢的钝化膜更易被穿透。这说明电荷在高氮不锈钢的电极表面与电解质溶液的两相界面上较难转移，即高氮不锈钢的钝化膜的厚度大于不锈钢。表中的值（弥散指数）表征钝化膜表面的粗糙程度，值越接近，钝化膜的表面越光

12、滑；高氮不锈钢的值为，比不锈钢的值（）更接近，表明高氮不锈钢的钝化膜表面比不锈钢的钝化膜表面光滑。        如前所述，不锈钢的维钝电流密度大于高氮不锈钢，钝化膜的厚度小于高氮不锈钢，而且钝化膜的表面比高氮不锈钢的钝化膜表面粗糙。这可能是因为在溶液中，氯离子为活性离子，半径小，穿透能力强，比其他离子更容易在扩散或电场作用下透过薄膜中原有的小孔或缺陷，与金属作用生成可溶性化合物。        同时，氯离子分散在钝化膜，能显著改变钝化

13、膜的电子和离子导电性，破坏膜的保护作用。    高氮不锈钢中的氮元素则能提高其耐腐蚀性，氮在局部（金属表面的小坑、缝隙等）开始形成铵离子，使值升高，铵离子与氯离子在酸性溶液中结合会生成氯化铵，降低局部的氯离子含量，减少氯离子对钝化膜的破坏作用，然后经过一系列的化学反应最终生成，促使钝化膜再生。结束语（）在电解质溶液中，对于自腐蚀电流密度、维钝电流密度、阳极腐蚀电流密度和阴极腐蚀电流密度，高氮不锈钢均小于不锈钢，表明高氮不锈钢在此环境中比不锈钢耐腐蚀。（）通过交流阻抗的分析，高氮不锈钢的钝化膜厚度大于不锈钢，且钝化膜表面较为光滑，这说明高氮不锈钢表面形成的

14、钝化膜起到的保护作用强于不锈钢。（）对于元素提高不锈钢耐腐蚀性能的机理，一般被认为元素在局部生成氨，提高值，改善局部腐蚀环境，最终生成具有氧化性的硝酸根离子，促进金属钝化膜的再生。    参 考 文 献    熊麟，秦少雄，颜学敏，等质子交换膜燃料电池双极板材料研究进展能源研究与信息，（）：    ，：，：    ，（）：    王剑莉，孙俊才，季世军不锈钢双极板在模

15、拟环境中的性能大连海事大学学报，（）：    ，：    ，：    吴博，李红凯，林国强，等不锈钢双极板电弧离子镀薄膜改性研究金属学报，（）：    冯珊，张树格高氮钢机械工程材料，（）：    ，（）：    梁平北方地区雪水对钢腐蚀性的电化学研究辽宁石油化工大学学报，（）：    曹楚南，张鉴清电化学阻抗谱导论北京：科学出版社，   &