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西安交大宋忠孝:高性能电极涂层量产助力氢能发展

研究决定电解制氢金属电极和氢燃料电池金属双极板性能的涂层具有迫切的现实需求。

水电解制氢是氢能产业链中是一个重要的环节,其中电解电极的性能是决定制氢成本的关键因素,金属双极板作为氢燃料电池中关键部件,对氢燃料电池的性能、成本及推广具有很大的影响,不仅可以延长金属电极寿命,还有望降低整个氢能行业的成本。

11月13日,业界瞩目的“OFweek 2018中国氢能行业高峰论坛”在深圳大中华喜来登酒店拉开帷幕,西安交大教授、金属材料强度国家重点实验室宋忠孝在会上发表“氢能产业金属电极涂层研究”主题演讲。

电解水制氢的可持续和低污染性能,包括可利用弃水、弃风、弃光、弃核等可再生能源来电解水制氢,二氧化碳排放远低于煤气化制氢和天然气重整制氢,令其有望成为未来制氢的主流技术,当前氢能产业积淀深厚的日本,70%左右采用水电解制氢。

但在电解水制氢过程中,电费占整个生产费用约80%,电极的析氢过电位决定耗电情况,因此降低析氢过电位减少耗电量是控制电解水制氢成本的关键,在这个过程中高性能电极催化涂层十分关键,低成本高性能电极涂层的批量生产有利于促进氢能发展。

对电极进行涂层可以提高电极有效活性面积,电池金属双极板/涂层界面和涂层与膜电极的接触电阻还会共同影响系统内阻,决定燃料电池的输出电压。

其中,金属耐腐蚀性能较弱,同时质子交换膜微量降解,生成水的PH值为微弱酸性,会导致金属双极板氧电极侧氧化膜增厚,降低电池性能,这种情况下在金属表面通过涂层可以增加其耐腐蚀性。

未来金属电极涂层的发展主要有两个方向:一是电解制氢电极催化涂层,采用环保的真空磁控溅射技术和高真空去合金化技术方便快速制备各类多孔电极催化涂层,降低电解制氢电耗;进行界面梯度设计在改善催化活性的同时提高涂层结合强度,延长电极实用寿命;杜绝催化涂层与基材有裂纹,降低体系整体电阻;推广两元金属硫化物梯度复合涂层进入实用。

二是燃料电池金属双极板涂层,采用多层膜设计,基材与涂层接触的界面无氧化物膜,里层为致密导电的耐腐蚀涂层,外层为低硬度高导电涂层;超薄致密化是趋势,降低电极体系电阻;梯度(复合)涂层:Cr/ Graphit-iC、 Cr/Graphit-iC(Ag、Au);阴极和阳极要不同涂层方案。

采用磁控溅射沉积技术,分别以水电解制氢金属电解涂层和氢燃料电池金属双极板涂层为研究目标,制备多孔水电解制氢电极催化涂层,在降低氢过电位的同时可以提高电极使用寿命;采用优化后的界面设计,在铝、不锈钢和钛合金上制备出致密石墨涂层,可以满足长寿命氢燃料电池的需要。

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