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CN109449457A - 聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板材料的制备方法 - Google Patents

聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板材料的制备方法 Download PDF

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CN109449457A CN201811284606.7A CN201811284606A CN109449457A CN 109449457 A CN109449457 A CN 109449457A CN 201811284606 A CN201811284606 A CN 201811284606A CN 109449457 A CN109449457 A CN 109449457A
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李�权
石坚
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Abstract

本发明公开一种聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板材料的制备方法，所述的金属双极板材料采用不锈钢SUS316L板材，采用金属熔射法将耐腐蚀、高导电性的无机碳化物颗粒直接喷涂在不锈钢SUS316L板材表形成一层致密的耐腐蚀、高导电性的颗粒分散涂层。本制备方法操作简单，工艺稳定可靠，操作条件简单，特别适用于从研制阶段直接转为量产。本发明制备的金属双极板具有更好的耐腐蚀性和更良好的导电性。能够防止在燃料电池中的发电过程中双极板受到电极电极电位的作用而产生的导电性下降的问题，提高了燃料电池放电能力的长期稳定性。

Description

聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板材料的制备方法。
背景技术
近年来，随着人们对环境的重视程度的上升，现在搭载内燃机的交通工具在今后会逐渐被由电池驱动的动力取代。目前各种新型动力电池不断出现，电动汽车也在逐渐普及。但是依然存在着巡航里程不足、充电时间长、以及安全性等问题。与此相比，质子交换膜燃料电池作为动力源有续航里程长、燃料加注快以及较好的安全性而越来越受到关注。现在已经有丰田汽车公司的燃料电池车小批量市场。今后随着燃料电池技术的进步和燃料加注设施的完善，预计燃料电池车会保持较高的增长速度发展。
质子交换膜燃料电池是由电解质膜-电极组件(MEA：membrane electrodeassembly)和双极板构成。MEA是电池中发生阴极反应和阳极反应的场所。而双极板的作用是均匀供给阴极和阳极电极反应所需要的燃料气和空气，同时将电极反应所产生的电流传递至燃料电池的外部。双极板还有一个重要的作用是作为燃料电池的结构保持部件使电极反应、气体扩散、尾气排出、电能导出这些过程能够顺利的按照设计进行，并且由电池单体相互组合组成所需功率的电堆。由于双极板处于氢氧电极反应的近旁，并与电极的气体扩散层接触，因此双极板需要有极高的耐腐蚀性。同时，由燃料电池产生的电能要尽可能高效的传递给负载，因此双极板的表面要求有极高的电子导电性。
由于车载动力用燃料电池在车辆行驶中有可能遭受强烈的振动或受到较大的力的作用，为了在使用过程中保证各种条件下的安全性，双极板由早期的石墨材料转变为现在的金属材料。特别是不锈钢SUS316L由于其具有高的耐腐蚀性而被广泛采用。但是，不锈钢SUS316L在燃料电池内部受到来自氢阳极反应而产生的酸性和正极电极电位的作用，表面会生成钝化膜。这层钝化膜虽然具有较高的耐腐蚀性，但是其电子导电性较差，在较大电流流过的情况下会产生较大的欧姆电压降，直接影响燃料电池的输出性能。因此，如何使双极板表面同时具有较高的耐腐蚀性和电子导电性是提高燃料电池性能的关键。迄今为止，燃料电池双极板的表面普遍采用CVD、离子镀、磁控溅射等镀膜技术来形成一层导电性皮膜来提高电子导电性。例如CN106935878A公开了一种用贵金属皮膜修饰的双极板，CN106876742A采用类金刚石皮膜作为防护膜，CN101393991采用离子注入技术改变表面成分形成保护膜。而CN107302094A也采用离子镀技术形成合金、氧化物等等涂层。以上的技术均为在表面形成一层致密的导电性保护膜来达到耐蚀性和导电性的双重目的。
真空离子镀法，也可以用来镀膜。其工作过程是，蒸发源节阳极，工件接阴极，当通以三千至五千伏高压后，蒸发源和工件之间产生辉光放点。特点是：粒子以及其高的速度轰击在工件，由于速度快，不仅趁机速度快，而且能够穿透工件表面，形成一种注入基体很深的涂层。缺点是：蒸发源、工件需要真空环境，需要注入氩气，镀层厚度难以控制，工件非镀表面的屏蔽存在方法的缺陷，而且设备容量小，大型零件难以操作，投资过大等。
磁控溅射法镀膜就是在真空中利用荷能粒子轰击靶材料，使被轰击出的粒子沉积在基片上的技术。其工作过程为：阴极靶由镀膜材料制成，基片作为阳极，真空室中通入氩气或其他惰性气体，在阴极靶3000V直流高压作用下，产生辉光放电，电离出来的氩离子轰击在靶表面，使得靶原子溅出并沉积在基片上，形成薄膜。特点是：被溅射原子能量高，所以沉积时原子的扩散能力高，沉积组织的致密程度好，薄膜和基片有强附着力。缺点是：阴极靶和基片需要真空环境，需要注入氩气或其他惰性气体、靶材溅射效率低、靶材在基片上容易发热甚至形成二次溅射，影响制膜质量，设备投入大等。
在皮膜材质具有良好性能的情况下，上述技术能够在基材表面形成有效的耐腐蚀导电性镀层。但是这些方法均需要真空设备或类似于真空设备的密闭金属容器以及高电压、高频电源，因此初期的设备投资很高，工艺影响因素多，操作条件复杂。前期的工艺研发也需要大量的人力和时间。
发明内容
本发明为了克服上述缺点，提供一种聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板材料的制备方法。由于本方法操作简单，不需要大量的初期投资和复杂贵重的加工设备，因此特别适合于从研制阶段直接转为量产。本方法的另一个优点是原材料的涂层颗粒粉末所具有的耐腐蚀性和导电性不发生任何改变而保持下来。因此，涂层的性能容易控制而得到保证。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板材料的制备方法，所述的金属双极板材料采用不锈钢SUS316L板材，采用金属熔射法将耐腐蚀、高导电性的无机碳化物颗粒直接喷涂在不锈钢SUS316L板材表形成一层致密的耐腐蚀、高导电性的颗粒分散涂层。
本发明还具有如下技术特征：
1、如上的方法喷涂时以氧气和乙炔或丙烷为热源，不需要保护气氛，燃料室的压力为200-250MPa时喷射无机碳化物颗粒，喷射时间为3-5分钟，通过控制喷射时间来调控涂层的厚度。
2、如上的方法所述的无机碳化物颗粒为WC、TiC或ZrC。
3、如上的方法所述的无机碳化物颗粒的粒径为0.01-100μm。
4、采用如上制备方法制备的一种聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板材料。
本发明的优点如下：制备方法操作简单，工艺稳定可靠，操作条件简单，特别适用于从研制阶段直接转为量产。本发明制备的金属双极板具有更好的耐腐蚀性和更良好的导电性。能够防止在燃料电池中的发电过程中双极板受到电极电极电位的作用而产生的导电性下降的问题，提高了燃料电池放电能力的长期稳定性。
附图说明
图1是纯SUS316L不锈钢钢板的接触电阻实验数据图；
图2是单面涂层的SUS316L不锈钢钢板的接触电阻实验数据图；
图3是双面涂层的SUS316L不锈钢钢板的接触电阻实验数据图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
本实施例提供了一种聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板板材及其制备方法，其实施步骤如下：
(1)不锈钢SUS316L表面的清洗
将SUS316L板材进行超声清洗脱脂之后进行酸洗去掉表面氧化层及附着的杂质；其中：超声功率为1.5-2w/cm，超声频率为30-35kHz,超声时间为15-30min；酸洗采用的是0.5mol/L的稀硫酸，酸洗的时间为0.5-1h；
(2)表面形成高导电性、耐腐蚀性涂层
将上述清洗过的SUS316L不锈钢板材采用金属熔射法对其表面进行喷涂处理，使WC颗粒镶嵌在不锈钢的单面，形成一层均匀的耐腐蚀的导电层，得到单面为涂层的极板；其中：以氧气和乙炔或丙烷为热源，不需要保护气氛，燃料室的压力为200MPa时进行喷射，喷射时间为5分钟，粉末融射材料以超高速度轰击基材一次形成非常致密的高密着力膜。
由图1-2的数据的对比可见，单面涂层的SUS316L不锈钢钢板的电阻要明显优于纯SUS316L不锈钢钢板的电阻；而且由表1的数据对比可见，单面涂层的SUS316L不锈钢钢板的耐腐蚀性要明显优于纯SUS316L不锈钢钢板的耐腐蚀性。
表1纯SUS316L、单面涂层的SUS316L和双面涂层的SUS316L不锈钢板的腐蚀电流测试数据表
实施例2：
本实施例提供了一种聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板板材及其制备方法，其实施步骤如下：
(1)不锈钢SUS316L表面的清洗
将SUS316L板材进行超声清洗脱脂之后进行酸洗去掉表面氧化层及附着的杂志；其中：超声功率为1.5-2w/cm，超声频率为30-35kHz,超声时间为15-30min；酸洗采用的是0.5mol/L的稀硫酸，酸洗的时间为0.5-1h；
(2)表面形成高导电性、耐腐蚀性涂层
将上述清洗过的SUS316L不锈钢板材采用金属熔射法对其表面进行喷涂处理，使WC颗粒镶嵌在不锈钢的单面，形成一层均匀的耐腐蚀的导电层，之后翻转基材重新操作，得到双面为涂层的双极板；其中：以氧气和乙炔或丙烷为热源，不需要保护气氛，燃料室的压力为250MPa时进行喷射，喷射时间为3分钟，粉末融射材料以超高速度轰击基材一次形成非常致密的高密着力膜。
由图1-3的数据对比可见，双面涂层的SUS316L不锈钢钢板的电阻要明显优于单面涂层的SUS316L不锈钢钢板和纯SUS316L不锈钢钢板的电阻；而且由表1的数据对比可见，双面涂层的SUS316L不锈钢钢板的耐腐蚀性要明显优于单面涂层的SUS316L不锈钢钢板和纯SUS316L不锈钢钢板的耐腐蚀性。
实施例3：
本实施例提供了一种聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板板材及其制备方法，其实施步骤如下：
(1)不锈钢SUS316L表面的清洗
将SUS316L板材进行超声清洗脱脂之后进行酸洗去掉表面氧化层及附着的杂志；其中：超声功率为1.5-2w/cm，超声频率为30-35kHz,超声时间为15-30min；酸洗采用的是0.5mol/L的稀硫酸，酸洗的时间为0.5-1h；
(2)表面形成高导电性、耐腐蚀性涂层
将上述清洗过的SUS316L不锈钢板材采用金属熔射法对其表面进行喷涂处理，使TiC颗粒镶嵌在不锈钢的单面，形成一层均匀的耐腐蚀的导电层，之后翻转基材重新操作，得到双面为涂层的双极板；其中：以氧气和乙炔或丙烷为热源，不需要保护气氛，燃料室的压力为200MPa时进行喷射，喷射时间为5分钟，粉末融射材料以超高速度轰击基材一次形成非常致密的高密着力膜。
实施例4：
本实施例提供了一种聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板板材及其制备方法，其实施步骤如下：
(1)不锈钢SUS316L表面的清洗
将SUS316L板材进行超声清洗脱脂之后进行酸洗去掉表面氧化层及附着的杂志；其中：超声功率为1.5-2w/cm，超声频率为30-35kHz,超声时间为15-30min；酸洗采用的是0.5mol/L的稀硫酸，酸洗的时间为0.5-1h；
(2)表面形成高导电性、耐腐蚀性涂层
将上述清洗过的SUS316L不锈钢板材采用金属熔射法对其表面进行喷涂处理，使ZrC颗粒镶嵌在不锈钢的单面，形成一层均匀的耐腐蚀的导电层，之后翻转基材重新操作，得到双面为涂层的双极板；其中：以氧气、乙炔或丙烷为热源，不需要保护气氛，燃料室的压力为200MPa时进行喷射，喷射时间为5分钟，粉末融射材料以超高速度轰击基材一次形成非常致密的高密着力膜。

Claims (5)

1.一种聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板材料的制备方法，所述的金属双极板材料采用不锈钢SUS316L板材，其特征在于：采用金属熔射法将耐腐蚀、高导电性的无机碳化物颗粒直接喷涂在不锈钢SUS316L板材表形成一层致密的耐腐蚀、高导电性的颗粒分散涂层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，喷涂时以氧气和乙炔或丙烷为热源，不需要保护气氛，燃料室的压力为200-250MPa时喷射无机碳化物颗粒，喷射时间为3-5分钟。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的无机碳化物颗粒为WC、TiC或ZrC。
4.根据权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于，所述的无机碳化物颗粒的粒径为0.01-100μm。
5.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法制备的一种聚合物质子交换膜燃料电池的金属双极板材料。
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