本文主要介绍了质子交换膜燃料电池金属双极板的表面防护技术。概述了质子交换膜燃料电池的工作原理、组成部件及其失效机制和现有的双极板材料；对比阐述了合金元素及腐蚀介质对于金属双极板腐蚀行为的影响；主要论述了金属双极板表面导电聚合物涂层、过渡金属碳/氮化物涂层、氧化物及贵金属涂层、碳（石墨）涂层的制备及性能。
本书可供从事质子交换膜燃料电池、新能源材料、金属的腐蚀防护等领域的科研人员与技术人员参考，也可供高等学校相关专业的师生参阅。

1.3.2.2质子交换膜燃料电池的温度特性
质子交换膜决定了PEMFC的温度特性。对于目前使用较多的Nafion系列膜，当电池温度过80℃时，其热稳定性与质子传导性能将明显下降。燃料电池的工作温度对于其性能的影响如下图所示。随着温度升高，电极的欧姆电阻值下降。在相同的电流密度条件下，燃料电池的电压也随着增大，燃料电池的功率也随着增大。另外，温度升高，可以加快反应气体的扩散速度，加速质子从阳极向阴极运动，同时促进生成物水的排出。DOW公司开发的新型的质子交换膜将PEMFC的工作温度提高10-20℃。低温PEMFC存在很多无法克服的困难，如水热管理系统复杂、其对环境尤其是CO的适应性差。高温PEMFC(工作温度>90℃)将大大简化电池堆的水热管理系统，提高催化剂活性和利用率，增强催化剂抗CO能力[2]。
1.3.2.3质子交换膜燃料电池的压力特性
如前所述，电池内的反应气体压力愈大，PEMFC的功率密度愈高。一般而言，质子交换膜两侧的气体压力需保持相同，以避免气体扩散通过交换膜，导致电池电压下降，甚至导致氢氧混合爆炸。有研究表明[9]：采用H2/O2为反应气体时的电池工作电压显著高于H2/空气系统，而且在低电流密度时出现V-i线性区的偏离，这主要是由于空气中的氧分压较低及“氮阻碍效应”引起，都将降低PEMFC的性能。
1.3.3质子交换膜燃料电池的组成及失效机制
PEMFC的组成如图1.5所示，其基本组成主要是由两个催化剂层和一层质子交换膜组成。通氢气（或含氢的燃料）侧为阳极，通氧气或空气侧为阴极。生成的水和电子被带走。实际上需要强度高且相当复杂的双极板。双极板也有助于在高功率的电池散热。根据功率大小，电池的表面积从几平方厘米到1平方米。双极板必须与催化剂有良好的接触。在较宽的温度范围内，双极板保持着较高的催化剂容积率。解决的途径之一就是在双极板之间和催化剂之间加一层碳布。碳布可使气态水到达反应区，且是较好的电子导体。由于材质较软且圆滑，可弥补双极板表面尺寸上的缺陷，降低所需要的容积率，因而可降低双极板的成本。除了PEMFC本体外，PEMFC系统还包括燃料及其循环系统、氧化剂及其循环系统、水/热管理系统等辅助系统。

第1章质子交换膜燃料电池概述001

1.1引言001

1.2燃料电池及其分类001

1.2.1碱性燃料电池002

1.2.2磷酸燃料电池002

1.2.3熔融碳酸盐燃料电池003

1.2.4固态氧化物燃料电池003

1.2.5质子交换膜燃料电池004

1.3质子交换膜燃料电池004

1.3.1质子交换膜燃料电池的工作原理004

1.3.2质子交换膜燃料电池的特性005

1.3.3质子交换膜燃料电池的组成及失效机制007

1.4双极板材料012

1.4.1碳（石墨材料）012

1.4.2复合双极板013

1.4.3金属双极板013

1.5金属双极板的腐蚀与防护014

1.5.1金属双极板的腐蚀014

1.5.2金属双极板的表面防护涂层015

参考文献017

第2章金属双极板的腐蚀行为021

2.1引言021

2.2质子交换膜燃料电池金属双极板的腐蚀性离子来源021

2.3合金元素对金属双极板腐蚀行为的影响023

2.4腐蚀离子浓度及pH值对不锈钢腐蚀行为的影响035

2.5加工方法对金属双极板腐蚀行为的影响045

2.6其他金属双极板的腐蚀行为048

2.6.1非晶合金048

2.6.2钛049

2.6.3铝049

2.6.4铜050

参考文献051

第3章导电聚合物涂层/金属双极板的制备及性能054

3.1引言054

3.2导电聚合物的结构及分类054

3.3导电聚合物材料的合成055

3.3.1化学合成055

3.3.2电化学合成055

3.4导电聚合物的掺杂机制056

3.5导电聚合物的耐蚀和导电机理057

3.5.1导电聚合物的耐蚀机理057

3.5.2导电聚合物的导电机理058

3.6电化学合成方法对导电聚合物涂层/不锈钢双极板腐蚀性能的影响059

3.6.1电化学合成方法对聚苯胺涂层/金属双极板性能的影响060

3.6.2电化学合成方法对聚吡咯涂层/金属双极板性能的影响067

3.7表面活性剂掺杂导电聚合物涂层/不锈钢双极板的制备与性能071

3.7.1表面活性剂掺杂的聚苯胺涂层/不锈钢双极板的制备与性能071

3.7.2表面活性剂掺杂的聚吡咯涂层/不锈钢双极板腐蚀性能的影响077

3.8热处理对导电聚合物性能的影响083

参考文献083

第4章复合导电聚合物涂层/不锈钢双极板的制备与性能087

4.1引言087

4.2复合导电聚合物涂层/不锈钢双极板的制备工艺088

4.3复合导电聚合物涂层/不锈钢双极板的性能089

4.3.1电化学性能089

4.3.2腐蚀性能090

4.3.3接触电阻096

4.3.4腐蚀机理096

4.4复合导电聚合物涂层/不锈钢双极板在模拟PEMFC环境中的腐蚀行为097

4.4.1复合导电聚合物涂层/不锈钢双极板在模拟PEMFC阴极环境中的腐蚀行为098

4.4.2复合导电聚合物涂层/不锈钢双极板在模拟PEMFC阳极环境中的腐蚀行为101

参考文献104

第5章金属双极板表面过渡金属碳/氮化物涂层的制备、结构及特性106

5.1引言106

5.2金属双极板表面过渡金属碳/氮化物涂层的制备技术及性能106

5.2.1金属双极板表面过渡金属碳/氮化物涂层的制备技术106

5.2.2金属双极板表面过渡金属碳/氮化物涂层的结构及特性108

5.3氮化处理工艺及氮化、铬化处理的金属双极板的表面结构与特性134

5.3.1金属双极板表面氮化处理工艺134

5.3.2氮化及铬化处理的金属双极板的表面结构及特性135

参考文献150

章6章贵金属及氧化物涂层/金属双极板的制备与性能154

6.1前言154

6.2氧化物涂层/金属双极板的制备与性能154

6.3贵金属涂层/金属双极板的制备与性能158

参考文献162

第7章碳（石墨）涂层/金属双极板的制备与性能164

7.1前言164

7.2碳（石墨）涂层/金属双极板的制备方法164

7.2.1离子束沉积法164

7.2.2等离子体增强化学气相沉积法165

7.3碳（石墨）涂层/金属双极板的制备与性能165

参考文献175