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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林昶樺
研究生(外文):Chang-Hua Lin
論文名稱:質子交換膜燃料電池不鏽鋼雙極板無電鍍及電化學法改質之研究
論文名稱(外文):Study of electroless and electrochemical coatings for the corrosion protection of stainless steel bipolar plates for the PEM fuel cell
指導教授:楊立中楊立中引用關係
指導教授(外文):Chung-Yang Li
學位類別:碩士
校院名稱:國立虎尾科技大學
系所名稱:光電與材料科技研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:98
中文關鍵詞:質子交換膜燃料電池雙極板腐蝕無電鍍聚吡
外文關鍵詞:PEMFCBipolar plateCorrosionElectroless platingPolypyrrole
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本研究是以SS 316不鏽鋼為基材利用無電鍍鎳、金、銀及電化學循環伏安法(cyclic voltammetry)聚合導電高分子聚吡咯(Ppy)於基材表面兩種方式製作質子交換膜燃料電池(PEMFC)之金屬雙極板,並分別探討在室溫及70℃質子交換膜燃料電池模擬環境下之腐蝕行為。本研究主要目的是為提供質子交換膜燃料電池金屬雙極板研發的重要資料,以及更深入了解無電鍍層及聚吡咯層兩者之電化學腐蝕特性。
將無電鍍鎳、金、銀及聚吡咯之SS 316不鏽鋼;以硫酸作為質子交換膜燃料電池雙極板的模擬環境,藉由動態極化實驗探討其腐蝕行為。實驗結果顯示,在室溫模擬環境下,經無電鍍鎳、金、銀及聚吡咯之SS 316不鏽鋼,其腐蝕電位有朝貴電位移動之趨勢,其中以具聚吡咯之SS 316不鏽鋼腐蝕電位最高呈現出最佳的抗腐蝕效果。在70℃模擬環境下,除了無電鍍銀及具聚吡咯之SS 316不鏽鋼其腐蝕電位有朝貴電位移動之趨勢外,具無電鍍鎳及金之SS 316不鏽鋼並無此現象,其中以無電鍍銀腐蝕電位最高呈現出最佳的抗腐蝕效果。
本研究提出在室溫環境及工作溫度(70℃)下,具聚吡咯之SS 316不鏽鋼皆具較佳抗腐蝕特性,可應用於質子交換膜燃料電池雙極板上。
In this study, the corrosion behavior of electroless Ni, Au, Ag plating and Polypyrrole coatings using cyclic voltammetry were prepared on SS 316 stainless steel is investigated in a simulated polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) environment included 0.5 M at room temperature and 70℃. The main purposes are to offer fundamental information for the development of metal bipolar plates in PEMFC, and to obtain a deeper understanding of the electrochemical corrosion characteristics for electroless plating systems and the polypyrrole by electrochemical polymerization.
Potentiodynamic tests were performed to determine the corrosion properties of electroless plating and polypyrrole coatings. It was found that corrosion potential of the coated sample at room temperature was shift toward noble potential. Polypyrrole coating with the highest value of corrosion potential in all indicating better corrosion resistance performance, compared to others. However, only the corrosion potential of electroless Ag plating and Polypyrrole coatings have the tendency that corrosion potential was shift toward noble potential at 70℃. Electroless Ag plating with the highest value of corrosion potential in all indicating better corrosion resistance performance, compared to others.
This study addresses the corrosion resistance characteristics of polypyrrole coating on SS 316 stainless steel for PEMFC bipolar plate applications at room temperature environment. However, electroless Ag plating on SS 316 stainless steel for PEMFC bipolar plate applications at 70℃.
總目錄
中文摘要 ………………………………………………………………… i
英文摘要 ………………………………………………………………… ii
誌謝 ………………………………………………………………… iv
總目錄 ……………………………………………………………… v
表目錄 ………………………………………………………………… xi
圖目錄 ……………………………………………………………… xii
一、 緒論………………………………………………………… 1
1.1 前言………………………………………………………… 1
1.2 燃料電池的種類介紹……………………………………… 2
1.3 研究動機與目的…………………………………………… 5
1.4 文獻回顧………………………………………………… 6
二、 基礎理論……………………………………………………… 10
2.1 質子交換膜燃料電池…………………………………….. 10
2.1.1 質子交換膜燃料電池之背景…………………………… 10
2.1.2 質子交換膜燃料電池工作原理………………………… 11
2.1.2 質子交換膜燃料電池結構分析………………………… 13
2.1.2.1 質子交換膜……………………………………………… 14
2.1.2.2 觸媒層………………………………………………… 15
2.1.2.3 氣體擴散層………………………………………… 16
2.1.2.4 雙極板……………………………………………… 16
2.2 無電鍍膜技術……………………………………………… 17
2.2.1 無電鍍原理………………………………………………… 17
2.2.2 薄膜沉積機制…………………………………………… 21
2.2.3 無電鍍鎳原理……………………………………………… 23
2.2.4 無電鍍金原理………………………………………………… 24
2.2.5 無電鍍銀原理……………………………………………… 25
2.3 電鍍膜技術…………………………………………………… 26
2.3.1 電鍍原理…………………………………………………… 26
2.3.2 循環伏安法…………………………………………………… 27
2.3.3 導電高分子?咯……………………………………… 29
2.4 腐蝕電化學原理………………………………………… 31
2.4.1 金屬腐蝕機制…………………………………………… 31
2.4.2 電化學量測……………………………………………… 32
2.4.2.1 極化原理…………………………………………………… 32
三、 實驗步驟及方法……………………………………………… 34
3.1 材料與實驗流程…………………………………………… 34
3.1.1 實驗器材設備………………………………………… 35
3.1.2 實驗藥品………………………………………………… 36
3.1.3 分析儀器與型號……………………………………… 37
3.2 試片製作與前處理…………………………………………… 37
3.3 無電鍍被覆鎳、金、銀鍍層……………………………… 38
3.3.1 無電鍍鎳……………………………………………………… 39
3.3.2 無電鍍金……………………………………………………… 40
3.3.3 無電鍍銀……………………………………………………… 41
3.3.4 電化學聚合?咯層………………………………………… 42
3.3.4.1 循環伏安法沉積聚?咯於金屬基材………………………… 42
3.3.4.2 循環伏安法以不同圈數沉積聚?咯………………………… 42
3.4 薄膜特性量測及分析………………………………………… 44
3.4.1 鍍層厚度量測………………………………………………… 44
3.4.2 晶格結構分析分析…………………………………………… 45
3.4.3 FTIR紅外線光譜分析.............................................................. 46
3.4.4 表面形貌分析………………………………………………… 47
3.4.5 成分能量散佈光譜量測……………….…………………… 48
3.4.6 腐蝕性質量測…………………………………………… 49
四、 結果與討論…………………………………………………… 51
4.1 循環伏安法製備聚?咯膜試片分析………………………… 51
4.2 結晶結構分析………………………………………………… 52
4.2.1 SS 316不鏽鋼………………………………………………… 52
4.2.2 無電鍍鎳層…………………………………………………… 53
4.2.3 無電鍍金層…………………………………………………… 54
4.2.4 無電鍍銀層…………………………………………………… 55
4.3 FT-IR紅外線光譜分析……………………………………… 56
4.4 薄膜成份分析……………………………………………… 57
4.4.1 初鍍膜………………………………………………………… 57
4.4.1.1 無電鍍鎳層…………………………………………………… 57
4.4.1.2 無電鍍金層…………………………………………………… 58
4.4.1.3 無電鍍銀層…………………………………………………… 59
4.4.2 經腐蝕極化測試之初鍍膜………………………………… 60
4.4.2.1 無電鍍鎳層…………………………………………………… 60
4.4.2.2 無電鍍金層…………………………………………………… 61
4.4.2.3 無電鍍銀層…………………………………………………… 62
4.5 表面形態分析……………………………………… 63
4.5.1 初鍍膜分析…………………………………………………… 63
4.5.1.1 單鍍層Ni/SS 316…………………………………………… 63
4.5.1.2 單鍍層Au/SS 316…………………………………………… 65
4.5.1.3 單鍍層Ag/SS 316………………………………………… 66
4.5.1.4 單鍍層Ppy/SS 316……………………………………… 68
4.5.1.5 雙鍍層Ppy/Ni/SS 316…………………………………… 69
4.5.1.6 雙鍍層Ppy/Au/SS 316…………………………………… 70
4.5.1.7 雙鍍層Ppy/Ag/SS 316…………………………………… 71
4.5.2 腐蝕極化之鍍層分析……………………………………… 72
4.5.2.1 單鍍層Ni/SS 316…………………………………………… 72
4.5.2.2 單鍍層Au/SS 316…………………………………………… 74
4.5.2.3 單鍍層Ag/SS 316………………………………………… 75
4.5.2.4 單鍍層Ppy/SS 316……………………………………… 77
4.5.2.5 雙鍍層Ppy/Ni/SS 316…………………………………… 77
4.5.2.6 雙鍍層Ppy/Au/SS 316…………………………………… 78
4.5.2.7 雙鍍層Ppy/Ag/SS 316…………………………………… 79
4.6 腐蝕性質分析……………………………………… 80
4.6.1 室溫(25℃)下之腐蝕分析…………………………………… 80
4.6.1.1 單鍍層Ni/SS 316、Au/SS 316、Ag/SS 316………………… 80
4.6.1.2 單鍍層Ppy/SS 316…………………………………………… 82
4.6.1.3 雙鍍層Ppy/Ni/SS316、Ppy/Au/SS316、Ppy/Ag/SS316……… 83
4.6.2 工作溫度(70℃)下之腐蝕分析……………………………… 85
4.6.2.1 單鍍層Ni/SS 316、Au/SS 316、Ag/SS 316………………… 85
4.6.2.2 循環伏安法以不同圈數聚合?咯層之腐蝕分析…………… 87
五、 結論…………………………………………………… 89
參考文獻 ………………………………………………………………… 90
附錄 ………………………………………………………………… 91
英文論文大綱 ………………………………………………………………… 95
簡歷 ………………………………………………………………… 98



表目錄
表 1-1 各種燃料電池種類與特性…………………………………… 4
表 2-1 各種主要雙極板材料優缺點比較表………………………… 17
表 3-1 AISI 304不鏽鋼成分組成表………………………………… 34
表 4-1 單鍍層無電鍍層Ni/SS 316、Au/SS 316、Ag/SS 316腐蝕數據… 82
表 4-2 單鍍層高分子鍍層Ppy/SS 316腐蝕數據…………………… 83
表 4-3 雙鍍層Ppy/Ni/SS316、Ppy/Au/SS316、Ppy/Ag/SS316腐蝕數據 85
表 4-4 工作溫度(70℃)下單鍍層之腐蝕數據…………… 86
表 4-5 工作溫度(70℃)下不同圈數聚?咯(Ppy)層腐蝕數據……… 87



圖目錄
圖 2-1 燃料電池雛形…………………………………………………… 10
圖 2-2 PEMFC的工作原理示意圖……………………………………… 12
圖 2-3 質子交換膜燃料電池截面示意圖…………………………… 14
圖 2-4 質子交換膜……………………………………………………… 15
圖 2-5 薄膜沉積之步驟圖……………………………………………… 22
圖 2-6 電鍍原理示意圖………………………………………………… 27
圖 2-7 循環伏安法中電荷轉移示意圖(a)還原反應(b)氧化反應…… 28
圖 2-8 聚?咯polypyrrole 化學結構………………………………… 29
圖 2-9 Pyrrole的聚合反應……………………………………………… 30
圖 2-10 電化學電池造成腐蝕之反應示意圖……………………… 31
圖 2-11 腐蝕反應之極化曲線概念圖…………………………………… 33
圖 3-1 沉積金屬導電高分子示意圖…………………………………… 34
圖 3-2 實驗流程圖……………………………………………………… 35
圖 3-3 無電鍍槽及裝置圖……………………………………………… 39
圖 3-4 三電極系統………………………………………………… 43
圖 3-5 循環伏安法電化學沉積?咯示意圖…………………… 44
圖 3-6 表面輪廓儀(Alpha-Step)……………………………………… 45
圖 3-7 X光繞射儀……………………………………………… 46
圖 3-8 FT-IR傅立葉轉換紅外線光譜儀………………………………… 47
圖 3-9 場發射掃描式電子顯微鏡(明道大學)……………………… 48
圖 3-10 掃描式電子顯微鏡SEM與能量分佈光譜儀EDS……………… 47
圖 3-11 EG&G273A恆電位儀…………………………………50
圖 4-1 製備高分子保護層之循環伏安圖,0.5M Py+0.1M草酸水溶液,掃瞄範圍0-1V,掃瞄速率1mV/S,掃瞄圈數5圈,參考電極為Ag/AgCl………………………………………………51
圖 4-2 製備聚?咯層於Ni/SS 316之循環伏安圖,0.5M Py+0.1M草酸水溶液,掃瞄範圍0-1V,掃瞄速率1mV/s,掃瞄圈數5圈,參考電極為Ag/AgCl。………………………………………………52
圖 4-3 製備聚?咯層於Au/SS 316之循環伏安圖,0.5M Py+0.1M草酸水溶液,掃瞄範圍0-1V,掃瞄速率1mV/s,掃瞄圈數5圈,參考電極為Ag/AgCl。………………………………………………52
圖 4-4 製備聚?咯層於Ag/SS 316之循環伏安圖,0.5M Py+0.1M草酸水溶液,掃瞄範圍0-1V,掃瞄速率1mV/s,掃瞄圈數5圈,參考電極為Ag/AgCl。………………………………………………53
圖 4-5 製備高分子保護層之循環伏安圖,0.5M Py+0.1M草酸水溶液,掃瞄範圍0-1.2V,掃瞄速率5mV/S,掃瞄圈數5圈,參考電極為Ag/AgCl…………………………………………………53
圖 4-6 Ppy/SS 316之XRD圖譜…………………………………………54
圖 4-7 Ni/SS 316之XRD圖譜………………………………………… 55
圖 4-8 Au/SS 316之XRD圖譜………………………………………… 56
圖 4-9 Ag/SS 316之XRD圖譜………………………………………… 57
圖 4-10 聚?咯傅立葉轉換紅外線光譜圖……………………………… 58
圖 4-11 Ni/SS 316初鍍膜成分組成圖…………………………………… 59
圖 4-12 Au/SS 316初鍍膜成分組成圖…………………………………… 60
圖 4-13 Ag/SS 316初鍍膜成分組成圖…………………………………… 61
圖 4-14 Ni/SS 316經腐蝕極化後之成分組成圖……………………… 62
圖 4-15 Au/SS 316經腐蝕極化後之成分組成圖………………………… 63
圖 4-16 Ag/SS 316經腐蝕極化後之成分組成圖………………………… 64
圖 4-17 Ni/SS 316試片之表面形態圖…………………………………… 65
圖 4-18 Au/SS 316試片之表面形態圖…………………………………… 66
圖 4-19 Ag/SS 316試片之表面形態圖…………………………………… 68
圖 4-20 Ppy/SS 316試片之表面形態圖………………………………… 69
圖 4-21 Ppy/Ni/SS 316試片之表面形態圖……………………… 70
圖 4-22 Ppy/Au/SS 316試片之表面形態圖……………………… 71
圖 4-23 Ppy/Ag/SS 316試片之表面形態圖……………………… 72
圖 4-24 Ni/SS 316試片之腐蝕後表面形態圖…………………………… 73
圖 4-25 Au/SS 316試片之腐蝕後表面形態圖…………………………… 74
圖 4-26 Ag/SS 316試片之腐蝕後表面形態圖…………………………… 76
圖 4-27 Ppy/SS 316試片之腐蝕後表面形態圖………………………… 77
圖 4-28 Ppy/Ni/SS 316試片之腐蝕後表面形態圖……………………… 78
圖 4-29 Ppy/Au/SS 316試片之腐蝕後表面形態圖……………………… 79
圖 4-30 Ppy/Ag/SS 316試片之腐蝕後表面形態圖……………………… 80
圖 4-31 單層無電鍍金屬層極化曲線圖……………………… 81
圖 4-32 單鍍層聚?咯抗蝕層腐蝕極化曲線圖………………………… 83
圖 4-33 雙鍍抗蝕層之塔弗腐蝕極化曲線圖………………………… 84
圖 4-34 工作溫度(70℃)下無電鍍層之塔弗極化曲線比較圖………… 86
圖 4-35 不同圈數聚?咯(Ppy)於SS316之塔弗極化曲線圖…………… 87
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