我所理解的氢燃料电池(第九章：电堆-活化&反极)

8-4 金属极板的涂层防护V 综合前文所述，目前氢燃料电池行业中极板发展的主流方向就是金属-冲压-镀层，金属分类中，钛在逐渐取代不锈钢。 材料的耐腐性能和导电性能是互相矛盾的，都与自由电子的状态与行为有关。材料中的自由电子越少或相越稳定，则耐腐蚀性越好，但导电性能越差；相反，自由电子越多、月活跃，导电性越好，但耐腐性越差。所以极板的核心关键性技术是如何平衡金属材料的耐腐性与导电性能。正如，不锈钢会被腐蚀，需要提高抗腐蚀性，钛会形成氧化钛绝缘膜，需要提高导电性。 8-4-1金属的腐蚀类型 金属的腐蚀一般可分为三种：物理腐蚀、化学腐蚀、电化学腐蚀。 物理腐蚀是机械的相互作用造成的，对于双极板来说主要是应力腐蚀，应力腐蚀是指在冲压生产过程中，导致的应力集中，从而产生位错、空位、晶界等。 化学腐蚀是金属表面与介质如气体或非电解质液体等直接发生化学作用而引起的破坏，其特点是金属直接将电子传递给氧化剂，没有产生电流。 电化学腐蚀是金属表面在介质如潮湿空气或电解质溶液中因形成微电池而发生电化学作用引起的腐蚀，其特点在于它的腐蚀历程可以分为两个相对独立并且同时进行的过程，形成一个混合电位体系，如图8-11所示。图8-11 电化学腐蚀示意图 电化学腐蚀产生的电流就是腐蚀电流，双极板是面积腐蚀，评价双极板腐蚀性能的物理量就叫做腐蚀电流密度，其值的大小反映了双极板腐蚀速率的快慢。腐蚀电流就是腐蚀与不腐蚀之间的流动，是金属表面流过的电流，其大小取决于电化学腐蚀反应的速率和电解质溶液中的离子浓度。 对于这三种腐蚀来说，涂层都可以起到良好的防护，所以对于目前商用化的金属极板来说，能平衡耐腐蚀性和导电性能的关键技术就是涂层。 8-4-2 涂层的分类与工艺 目前常用的涂层材料可以分为碳类(石墨、导电聚合物、类金刚石膜等)和金属类(贵金属、金属碳化物、金属氮化物等)。 石墨材料本身就是氢燃料电池极板的良好材料，所以在金属极板表面沉积碳或石墨涂层，可以使金属极板避免了腐蚀或生成钝化膜，金属板涂覆碳涂层可以看成是碳/金属复合极板的特殊形式，其优化了碳/金属复合极板，使金属极板商业化大大提升。 导电聚合物主要是通过物理阻挡层和对基体金属的电化学催化氧化来实现对金属的防护，但是该类涂层不可避免地会存在一些微观缺陷，腐蚀介质会经过缺陷渗透到金属基体表面，这是涂层充当阴极的角色，会促成金属表面生成氧化膜，这个氧化膜增加了接触电阻；在电池的频繁启动中，此时的电位相对较高，会使聚合物涂层过氧化，降低其性能；在阳极环境下，聚合物涂层处于被还原状态，会使涂层发生掺杂反应，会降低涂层的性能。导电聚合物涂层，还是需要进行大量的研究工作，距离商业化还有一段很长的路要走。 贵金属涂层，从名字上就可以看出其特点，突出一个“贵”字，这就是商业化的一票否决权。 过度金属陶瓷涂层(碳化物、氮化物) 具有优异的化学稳定性和导电性，是氢燃料电池金属极板理想的防护涂层。金属陶瓷涂层在微观结构上，跟导电聚合物涂层类似，会存在一些缺陷，当腐蚀介质通过缺陷渗到基体上时，金属陶瓷涂层与基体就组成了一个电偶对。一般情况下金属陶瓷涂层的电位要高于基体的电位，于是就会有电偶电流产生，此电流加速了腐蚀速度，这样的腐蚀主要体现在基体上局部，所以基体材料的选择对于金属陶瓷涂层来讲也是至关重要的，钛和不锈钢有很好的钝化性能，是搭配金属陶瓷涂层的好搭档。 常用的金属极板涂层工艺包括：电镀、PVD、CVD和化学镀，因为涂层类别的发展阶段的不同，目前最主要的涂层工艺就两种PVD和CVD，其中CVD主要就是渗氮工艺，氮元素可以提高金属抗点蚀性能，一是氮元素可以与腐蚀介质中的H+结合形成NH+；二是氮元素可以提高金属再钝化能力，使金属被腐蚀时迅速再钝化从而抑制点蚀的生长。持续更新中......写在最后，借着极板这个学习记录，谈一谈2024年几点关于氢燃料电池的学习感受：“简单”感，当然，不是真说燃料电池简单，这种感受应该来自燃料电池的入学门槛低，即使燃料电池系统复杂，每个部分学习入门也会很快，但是入门之后就会理解什么叫做“越简单的事越难做”。就拿极板来说，流道设计、材料、冲压、镀层哪一个细枝末节都值得一个博士学位。“无用”感，市面上(某宝、某东)关于燃料电池的书籍我几乎都过了一遍手，很多知识对我来说是无用的，当然，并不是说知识本身是无用的，大部分知识对于我想学习想了解的没有用，对于我现阶段的认知和工作是无用的。就拿极板来说，我写几千字的学习记录是我读了7本关于极板的书才写出来的。成就感，这个是我今年写关于氢燃料电池文章的最大感受，没有之一。我为什么要写关于氢燃料电池的文章？有两点原因：我本身从事的就是氢燃料电池的研发工作，工欲善其事，必先利其器，不断学习就是器，有时候学完的东西是真记不住，需要不断重温，这也是为什么我称之为学习记录，用一次花费的时间来解决以后长久的问题，这就叫沉没成本。任何一个行业没有新鲜血液流入注定发展不起来，我在学习时，发现没有一本书或一个公 众号，能提供完整详细的氢燃料电池系统性的知识脉络，都有各自的侧重点，或者很多知识点是一笔带过。我有过这个痛点，我就想我是不是可以尝试来做这件事，把我的学习记录整理出来，让更多的人可以了解氢燃料电池、学习氢燃料电池、从事氢燃料电池。2024即将翻篇，2025会一如既往更新我的学习记录。最后应很多人私信留言的需求，建立一个微 信公众 号，让我们在未来的日子里，共同在氢燃料电池这个行业里大步向前。来源：闲村野夫