PEMFCs双极板高耐蚀铁素体不锈钢腐蚀行为研究

【作者】 李卓程； 杨旭； 王丙兴； 王斌； 田勇； 李俊；

【机构】 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室； 山西太钢不锈钢股份有限公司；

【摘要】 针对当前316L不锈钢双极板存在合金元素添加成本高、耐蚀性能不足、强度较低的问题,开发了一种高耐蚀性、低合金元素添加、高强度的质子交换膜燃料电池（PEMFCs）双极板用铁素体不锈钢（Steel A）,其在模拟PEMFCs阴极工作环境中的耐蚀性能完全满足DOE2025标准要求,是一种极有潜力的PEMFCs不锈钢双极板材料。通过准静态拉伸测试不锈钢的力学性能,在模拟PEMFCs阴极环境中进行动电位极化、恒电位极化、电化学阻抗谱、Mott-Schottky测试研究不锈钢的腐蚀行为,分别采用SEM和XPS分析动电位极化测试后腐蚀形貌和浸泡2h形成的钝化膜成分。研究发现:Steel A钢的屈服强度为450 MPa,相对于AISI 316L的260 MPa提高约73%,其总延伸率为31.4%,可以满足双极板微流道塑性成形性能要求。Steel A钢的自腐蚀电位E_coor为-0.146 V_MSE,相较于AISI 316L的-0.721 V_MSE提高了0.575 V_MSE,其自腐蚀电流密度I_coor为7.31×10^-7 A·cm^-2,相较于AISI 316L的1.62×10^-4 A·cm^-2降低了3个数量级,其腐蚀敏感性和钝化膜溶解速率均显著降低。动电位极化测试后Steel A钢仅发生局部点蚀,仅有少量尺寸小于0.5μm的点蚀坑;而316L表面发生轻微的全面腐蚀和局部严重的点蚀,在蜂窝状组织中分布有少量的大而深的点蚀坑。Steel A钢在阴极工作电位0.23VMSE恒电位极化0.5 h时电流密度<1μA·cm^-2,在极化6 h时降低到0.27μA·cm^-2,而AISI 316L电流密度始终>180μA·cm^-2,这与Steel A钢形成的钝化膜致密度更高有关。在开路和PEMFCs阴极工作电位下Steel A钢的总极化电阻R_p值分别是AISI 316L的2710倍和26倍多,因此其钝化膜具有更高耐蚀性能。Mott-Schottky测试结果表明Steel A钢钝化膜中缺陷浓度仅为AISI 316L的一半,更低的受体浓度N_D值表明钝化膜对侵蚀性离子（F^-）的吸附能力大大减弱,降低了钝化膜溶解速率以及促进钝化膜增厚。此外,Steel A钢更低的E_fb值表明钝化膜表面可能吸附更多的SO₄^2-会阻碍强侵蚀性的F^-的吸附,从而减缓腐蚀的发生。并且较低的平带电位E_fb值表明Steel A钢的钝化膜更厚,因此耐蚀性能更好。XPS分析结果表明Steel A钢在PEMFCs阴极环境中形成Cr含量为316L的两倍以及外层富Cr₂O₃结构的钝化膜,使钝化膜中缺陷密度大大降低,并且钝化膜稳定性提高。综上所述,相较于AISI 316L,Steel A钢具有更高的强度和优异的耐蚀性能,在PEMFCs轻量化、长期服役安全性、低成本制造方面具有重要意义。更多还原