质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是内燃机的替代品。将氢氧反应产生的化学能转化为电能的技术具有许多优点，如低排放、低操作温度和相对高的能量效率。PEMFCs的缺点是电池结构的体积和重量大，主要是由于双极板。此外，膜、催化剂和双极板的成本使得该技术过于昂贵而无法广泛使用。必须降低体积、重量和采购成本等参数，尤其是汽车行业。
质子交换膜燃料电池由双极板(BP)和膜电子组件(MEA)组成，其中包括气体扩散层(GDL)、催化剂、膜和密封。双极板必须满足许多要求，良好的导电性和导热性、化学稳定性、疏水性等。这种多功能性很难实现。
大部分BP由石墨制成，少部分由石墨-聚合物复合材料制成。石墨在化学稳定性、导热性和导电性方面表现优异，但其机械性能较差。石墨双极板沉重、体积大、易碎，制造过程困难且昂贵。作为石墨的潜在替代品，金属双极板似乎很有前途。至于金属，主要考虑的是不锈钢、钛、镍、铜、铝及其合金。
双极板的新材料应满足美国能源部(DOE)表1 给出的参数，DOE还定义了测量参数。不锈钢似乎最有前途，尤其是在便携式和汽车应用方面。它具有良好的导热性和导电性、不透气性、优异的机械性能和成型性。
不幸的是，在燃料电池环境中的耐腐蚀性是不锈钢的主要问题。PEMFC的工作条件约为80°C、高湿度和酸性(pH 2-3)。不锈钢的腐蚀会释放离子，阻碍膜的交换能力，降低燃料电池的性能。金属双极板的另一个问题是界面接触电阻(ICR)，这在大多数情况下不利于耐腐蚀性。不锈钢越耐腐蚀，ICR就越大。
ICR与被动层紧密相连。钝化层的厚度和化学成分显著影响ICR。根据这些参数，裸不锈钢似乎不够。然而，不锈钢上适当的涂层可以解决这个问题。涂层可通过钽蒸表面合金技术制备。耐腐蚀性和ICR取决于涂层质量，这也与钢的表面条件相对应。涂层提高了PEMFC环境中的耐腐蚀性并降低了ICR。
对于这项工作，选择不锈钢AISI 316L作为参考材料，并在该钢上制备两种类型的涂层进行比较。第一层是纯钽，第二层是钽，上层是Ta2O5和RuO2。两种涂层都是通过钽蒸表面合金技术制备。涂层厚度为20–50 μm。样品为30 mm x 50 mm的薄片。裸316L在测量前通过砂纸P1200进行处理，用水、乙醇冲洗并干燥。仅洗涤和干燥涂覆的样品。
为每组测量准备模拟PEMFC环境的新鲜溶液。通过将1ml 0.01%氢氟酸和蒸馏水混合至1 l来制备溶液。然后通过使用1mol l-1硫酸将溶液的pH值调节至3。
测量在腐蚀电池中进行，样品横向沉积。使用恒温器将溶液加热至80℃。以饱和氯化银为参比电极，铂丝为对电极，样品为工作电极，建立了三电极排列的实验。这种布置用于所有的电化学测量、开路电位、极化电阻、阴极和阳极极化。实验重复至少两次，以消除误差并确保实验的可重复性。
然后在Thales XT分析中对数据进行评估。模拟PEMFC环境的溶液仅在一系列测量中使用一次，包括开路电位、极化电阻和动态扫描(阴极或阳极)。测量开路电位3600秒，随后立即测量极化电阻，范围为-25mVvs。OCP+25mVvs。OCP，扫描率为0.1mV-1。阴极动态扫描设置范围从+100mv到。OCP到-2v与。ACLE，阳极部分的范围从-100mvvs。OCP到+2Vvs。阴极动态扫描设置范围从+100mV对OCP至-2 V对ACLE，阳极部分范围从-100 mV对OCP至+2V对ACLE，扫描速率5mVs-1。在所有测量过程中，使用氮气对溶液进行脱气。
在实验之前，通过SEM (Tescan Vega 3)拍摄两种涂层的金相横截面。图1显示了不同的厚度，裸露的钽涂层具有40-50微米，具有氧化物上层的钽大约20-25微米。两层都是均匀无缺陷的，尽管裸露的钽表面更粗糙。
图1.涂层横截面，钽(左)和钽与Ta2O5和RuO2上层(右)。
在模拟PEMFC溶液中进行电化学测量后，使用Thales XT分析评估腐蚀指标。图2显示了极化的阳极部分，裸钢在钝化状态下腐蚀，与涂钽钢相同。具有氧化物上层的钽涂层的曲线不反映涂层的腐蚀反应，而是溶液的化学反应。阴极部分(图3)显示残余氧和氢去极化减少。拟合曲线，所有数据总结在表3中。
图2.稀H2SO4 (pH 3，1 ppm HF，80°C，N2脱气)范围内的阳极极化扫描速率为5mV s-1时，相对于OCP为-100 mV，相对于ACLE为+2 V。
图3.稀释H2SO4 (pH 3，1 ppm HF，80°C，N2脱气)范围内的阴极极化扫描速率为5mV s-1时，相对于OCP为-100 mV，相对于ACLE为+2 V。
比较316L和涂有钽的316L，涂层改善了腐蚀参数。较高的极化电阻和较低的腐蚀电流密度导致较低的腐蚀速率。阳极Tafel斜率也表明钽涂层具有更好的钝化性能。从0.5到2 V相对于ACLE的曲线部分(图2)表示非导电层。
表3 .316 l和钽基涂层的电化学参数。
这项研究比较了不锈钢316L和两种钽基涂层，裸钽和钽氧化物上层在模拟PEMFC环境。模拟溶液是80°c时pH值为3、含1 ppm氟离子的稀硫酸。钽涂层似乎不适合用于燃料电池，它耐腐蚀，但其钝化层不导电。具有氧化物上层的钽涂层是令人感兴趣的，由于导电、耐腐蚀的RuO2，电解质、氧和氢的高电化学活性是预期的。
原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：钽基涂层在氢燃料电池上的应用
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