【摘 要】
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质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）是氢燃料电池的一种,由于工作温度温和,功率密度高,启动快速、产物清洁无污染等优点,在交通运输领域具有很高的应用价值。双极板在PEMFC中占比巨大,承担着重要作用。双极板的好坏直接决定燃料电池的输出功率大小、使用寿命与电池成本。钛合金因比强度高,可提高燃料电池的比功率密度,耐蚀性好的特点,被广泛应用
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质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）是氢燃料电池的一种,由于工作温度温和,功率密度高,启动快速、产物清洁无污染等优点,在交通运输领域具有很高的应用价值。双极板在PEMFC中占比巨大,承担着重要作用。双极板的好坏直接决定燃料电池的输出功率大小、使用寿命与电池成本。钛合金因比强度高,可提高燃料电池的比功率密度,耐蚀性好的特点,被广泛应用于双极板材料中。但是双极板服役环境充满SO42-、F-离子,钛及钛合金对F-的敏感度高。钛合金薄板晶粒细碎、晶间腐蚀严重。除此以外,钛及钛合金表面的钝化膜为TiO2,导电性能差,加大PEMFC的内耗,降低电池寿命。因此为了提高钛合金薄板的耐蚀性与力学性能,平衡薄板表面耐蚀性与接触电阻大小,本文对PEMFC双极板用钛合金薄板进行整体热处理与表面热氧化处理。对钛合金薄板进行热处理,工艺参数为600℃/1h、650℃/1h、700℃/1h、750℃/1h、800℃/1h。研究得出,随热处理温度的升高,材料的第二相数量逐渐减少。退火温度小于800℃时,第二相呈长条状均匀分布于基体上,并随退火温度升高逐渐溶解至粒状,发生再结晶过程。退火温度达800℃时,第二相呈片状大量分布于晶界处,少量分布于晶界内部,发生α+Ti2Ni→α+β相变过程。退火材料的（0001）面呈明显基面双峰分布的棱锥织构,主要集中在＜0001＞//RD±40°→TD方向,表现为各向异性。（1120）晶面上的织构分布相似,均沿＜1010＞//RD±20°方向附近,且织构分布较弱。经退火后材料的耐蚀性发生变化:在0.5MH2SO4+5ppm F-溶液,模拟PEMFC工作环境中,钛合金的Bode相位图中出现双峰结构,Nyquist图表现为双容抗弧。随退火温度的升高,材料的腐蚀电流密度逐渐减小,Bode相为角逐渐升高,极化电阻逐渐增大,800℃/1h的耐蚀性最好,750℃/1h的耐蚀性略低于800℃/1h的耐蚀性,与800℃/1h相近。经退火后材料的力学性能发生变化:退火工艺为650℃/1h时材料中第二相最多,延伸率最低,塑性最差;退火工艺为750℃/1h时材料中第二相呈小粒状分布,数量较少,延伸率最高,塑性最好。即750℃/1h材料的综合性能最优。第二组对钛合金薄板进行表面热氧化处理,热氧化工艺参数为:250℃/5min、250℃/10min、250℃/15min、300℃/5min、300℃/10min、300℃/15min、350℃/5min、350℃/10min。研究得出:当热氧化温度固定不变时,保温时间最短时,材料的化学稳定性最高,当热氧化时间固定不变时,热氧化温度最低时,材料的化学稳定性最高,即热氧化工艺为250℃/5min时材料的耐蚀性最好。当热氧化温度固定不变时,保温时间最短时,材料的接触电阻最小,当热氧化时间固定不变时,热氧化温度最低时,材料的接触电阻最小,热氧化工艺为300℃/5min时材料的导电性最好。经热氧化处理后材料表面的耐蚀性与导电性均高于未经热氧化的原始材料,但耐蚀性和导电性提升的程度不受具体热氧化温度梯度和时间间隔的影响,且提升程度不可控。
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