西安交大宋忠孝：高性能電極涂層量產(chǎn)助力氫能發(fā)展

2018-11-14 08:41

研究決定電解制氫金屬電極和氫燃料電池金屬雙極板性能的涂層具有迫切的現(xiàn)實(shí)需求。

水電解制氫是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，其中電解電極的性能是決定制氫成本的關(guān)鍵因素，金屬雙極板作為氫燃料電池中關(guān)鍵部件，對(duì)氫燃料電池的性能、成本及推廣具有很大的影響，不僅可以延長金屬電極壽命，還有望降低整個(gè)氫能行業(yè)的成本。

11月13日，業(yè)界矚目的“OFweek 2018中國氫能行業(yè)高峰論壇”在深圳大中華喜來登酒店拉開帷幕，西安交大教授、金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋忠孝在會(huì)上發(fā)表“氫能產(chǎn)業(yè)金屬電極涂層研究”主題演講。

電解水制氫的可持續(xù)和低污染性能，包括可利用棄水、棄風(fēng)、棄光、棄核等可再生能源來電解水制氫，二氧化碳排放遠(yuǎn)低于煤氣化制氫和天然氣重整制氫，令其有望成為未來制氫的主流技術(shù)，當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)積淀深厚的日本，70％左右采用水電解制氫。

但在電解水制氫過程中，電費(fèi)占整個(gè)生產(chǎn)費(fèi)用約80％，電極的析氫過電位決定耗電情況，因此降低析氫過電位減少耗電量是控制電解水制氫成本的關(guān)鍵，在這個(gè)過程中高性能電極催化涂層十分關(guān)鍵，低成本高性能電極涂層的批量生產(chǎn)有利于促進(jìn)氫能發(fā)展。

對(duì)電極進(jìn)行涂層可以提高電極有效活性面積，電池金屬雙極板／涂層界面和涂層與膜電極的接觸電阻還會(huì)共同影響系統(tǒng)內(nèi)阻，決定燃料電池的輸出電壓。

其中，金屬耐腐蝕性能較弱，同時(shí)質(zhì)子交換膜微量降解，生成水的PH值為微弱酸性，會(huì)導(dǎo)致金屬雙極板氧電極側(cè)氧化膜增厚，降低電池性能，這種情況下在金屬表面通過涂層可以增加其耐腐蝕性。

未來金屬電極涂層的發(fā)展主要有兩個(gè)方向：一是電解制氫電極催化涂層，采用環(huán)保的真空磁控濺射技術(shù)和高真空去合金化技術(shù)方便快速制備各類多孔電極催化涂層，降低電解制氫電耗；進(jìn)行界面梯度設(shè)計(jì)在改善催化活性的同時(shí)提高涂層結(jié)合強(qiáng)度，延長電極實(shí)用壽命；杜絕催化涂層與基材有裂紋，降低體系整體電阻；推廣兩元金屬硫化物梯度復(fù)合涂層進(jìn)入實(shí)用。

二是燃料電池金屬雙極板涂層，采用多層膜設(shè)計(jì)，基材與涂層接觸的界面無氧化物膜，里層為致密導(dǎo)電的耐腐蝕涂層，外層為低硬度高導(dǎo)電涂層；超薄致密化是趨勢(shì)，降低電極體系電阻；梯度（復(fù)合）涂層：Cr／ Graphit－iC、 Cr／Graphit－iC（Ag、Au）；陰極和陽極要不同涂層方案。

采用磁控濺射沉積技術(shù)，分別以水電解制氫金屬電解涂層和氫燃料電池金屬雙極板涂層為研究目標(biāo)，制備多孔水電解制氫電極催化涂層，在降低氫過電位的同時(shí)可以提高電極使用壽命；采用優(yōu)化后的界面設(shè)計(jì)，在鋁、不銹鋼和鈦合金上制備出致密石墨涂層，可以滿足長壽命氫燃料電池的需要。