CN101252191A - 一种质子交换膜燃料电池金属双极板的处理方法 - Google Patents

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李贺
肖钢
侯晓峰
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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池金属双极板的处理方法，本发明涉及质子交换膜燃料电池的金属双极板技术，具体涉及一种复合材料表面改性的质子交换膜燃料电池用金属双极板及其制备方法。本发明提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板的表面处理方法，本发明方法可以提高金属双极板的耐腐蚀性和导电性，并具有成本低、方法简单等优点。

Description

一种质子交换膜燃料电池金属双极板的处理方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池的金属双极板技术，具体涉及一种质子交换膜燃料电池用金属双极板制备方法。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)是一种由化学能直接转化为电能的发电装置，具有高功率密度、高能量转换效率、环境友好、安静、可靠性高等优势，燃料电池技术受到世界各国政府的普遍重视。
在众多燃料电池类别中，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是最新一代燃料电池技术。由于采用了固态电解质高分子膜作为电解质，因此具有室温快速启动、无电解质泄漏、寿命长等特点，也因此被公认为最有希望的理想替代能源
双极板是质子交换膜燃料电池中的关键组件之一，其重量和体积占了整个燃料电池的绝大比例。双极板具有分布与分隔反应气体、收集与传输电流等作用，其制作材料及加工费用也是PEMFC成本高的主要原因之一。因此，双极板材料及其制作工艺的发展对PEMFC商业化具有非常重要的影响。
目前，应用比较广泛的有石墨双极板、碳复合材料双极板、金属双极板等。石墨材料是较早开发和利用的双极板材料，现在的制造技术已经比较成熟。石墨双极板质量轻、耐腐蚀性能好、导电性较强，但由于石墨脆性大，且厚度较大，缺乏机械强度，而导致加工流场时间长，成本过高，无法满足PEMFC商业化要求的规模化生产。碳复合材料双极板对石墨双极板的物性有一定改善，并在一定程度上降低了成本，但其加工工艺十分复杂，而金属双极板不仅易于实现批量生产、降低电堆成本，具有良好的导电导热性，而且能大幅度提高电堆比功率，因而被认为是最有竞争力的未来的双极板材料。
较早使用的金属双极板大多是镀金的钛板和铌板，随着技术的进步和低成本的要求，薄层金属双极板的种类研究趋于多样化。常用的材料主要有不锈钢、钛、镍、铝和铝合金等。但不可避免的是金属双极板在PEMFC这种显酸性的环境中长时间工作，会腐蚀，而产生多价金属离子，进而造成氧电极侧金属氧化物的增厚，增加接触电阻、污染电极、降低电池性能。同时，在氢电极侧会发生轻微腐蚀，而使电极催化剂的活性降低，膜电阻增加，所以金属双极板的表面处理方法就成为了此领域的关键技术之一。
发明内容：
本发明提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板的表面处理方法，该方法可以提高金属双极板的耐腐蚀性和导电性，并具有成本低、方法简单等优点。
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板的表面处理方法，金属双极板由基体及其表面导电耐蚀涂层构成，基体可以304不锈钢、316不锈钢、钛、镍、铝和铝合金等。表面涂层为一种碳/聚苯胺的复合材料，其中碳材料可以是炭黑、碳粉、乙炔黑、碳纤维或其混合物，涂层厚度为10～50μm。
制备方法采用化学合成涂敷法。步骤如下：
首先将苯胺单体溶于酸(可以是盐酸、硝酸、硫酸或磷酸等)中，与溶剂和质量为苯胺5％～20％的碳材料混合，然后在此苯胺单体和碳材料的混合溶液中添加氧化剂，制成导电的碳/聚苯胺复合材料，将上述材料溶解于10～50g/L的N-甲基吡咯烷酮溶液中，直接涂敷在处理过的金属双极板基体表面上，然后在0.1-0.3mol/L稀酸(可以是盐酸、硝酸、硫酸)中浸泡1～5小时，低温真空干燥得到。
其中溶剂可以是脂肪烃溶剂、脂环族溶剂以及芳香族溶剂等，优选三氯甲烷、三氯乙烷、醇类、醚类或甲苯。氧化剂可以是过硫酸铵、二氧化锰、双氧水、重铬酸钾、高锰酸钾及其混合物。氧化剂与苯胺的质量比为0.61∶1。
有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池金属双极板的表面处理方法，该导电高分子复合材料涂层可以提高金属的耐腐蚀性和导电性，并具有成本低、方法简单等优点。
具体实施方式
以下实施例能够进一步说明本发明的实施方法。
实施例1
炭黑/聚苯胺复合材料改性金属双极板。
制备过程如下：首先将10mL经过蒸馏和纯化的苯胺缓慢加入到600mL的1mol/L的盐酸中，将400mL三氯甲烷与所述溶液混合，再加入1g炭黑后，在冰水浴中不断搅拌，直至均匀分散，然后缓慢滴加过硫酸铵的盐酸溶液(含有6g(NH4)2S2O8的200mL 1mol/L的HCl)，发生聚合反应生成沉淀，经清洗和过滤得到炭黑/聚苯胺复合材料，最后将炭黑/聚苯胺复合材料溶解于10g/L的N-甲基吡咯烷酮溶液中，混合均匀后，涂敷在金属双极板表面上，经0.1mol/L盐酸浸泡2h后，50℃下真空烘干得到。
实施例2
碳粉/聚苯胺复合材料改性金属双极板。
制备过程如下：首先将10mL经过蒸馏和纯化的苯胺缓慢加入到600mL的1mol/L的盐酸中，将400mL三氯乙烷与所述溶液混合，再加入0.5g碳粉后，在冰水浴中不断搅拌，直至均匀分散，然后缓慢滴加过硫酸铵的盐酸溶液(含有6g(NH4)2S2O8的200mL 1mol/L的HCl)，发生聚合反应生成沉淀，经清洗和过滤得到碳粉/聚苯胺复合材料，最后将碳粉/聚苯胺复合材料溶解于20g/L的N-甲基吡咯烷酮溶液中，混合均匀后，涂敷在金属双极板表面上，经0.1mol/L盐酸浸泡5h后，50℃下真空烘干得到。
实施例3
乙炔黑/聚苯胺复合材料改性金属双极板。
制备过程如下：首先将10mL经过蒸馏和纯化的苯胺缓慢加入到600mL的1mol/L的盐酸中，将400mL甲苯与所述溶液混合，再加1g乙炔黑和0.5g碳粉后，在冰水浴中不断搅拌，直至均匀分散，然后缓慢滴加10mL双氧水，发生聚合反应生成沉淀，经清洗和过滤得到石墨粉/聚苯胺复合材料，最后将石墨粉/聚苯胺复合材料溶解于50g/L的N-甲基吡咯烷酮溶液中，混合均匀后，涂敷在金属双极板表面上，经0.1mol/L盐酸浸泡1h后，50℃下真空烘干得到。
实施例4
乙炔黑/聚苯胺复合材料改性金属双极板。
制备过程如下：首先将10mL经过蒸馏和纯化的苯胺缓慢加入到600mL的1mol/L的盐酸中，将400mL三氯甲烷与所述溶液混合，再加2g乙炔黑后，在冰水浴中不断搅拌，直至均匀分散，然后缓慢滴加10g二氧化锰，发生聚合反应生成沉淀，经清洗和过滤得到乙炔黑/聚苯胺复合材料，最后将乙炔黑/聚苯胺复合材料溶解于20g/L的N-甲基吡咯烷酮溶液中，混合均匀后，涂敷在金属双极板表面上，经0.3mol/L盐酸浸泡2h后，50℃下真空烘干得到。
实施例5
碳纳米管/聚苯胺复合材料改性金属双极板。
制备过程如下：首先将10mL经过蒸馏和纯化的苯胺缓慢加入到600mL的1mol/L的盐酸中，将400mL三氯甲烷与所述溶液混合，再加2g碳纤维后，在冰水浴中不断搅拌，直至均匀分散，然后缓慢滴加过硫酸铵的盐酸溶液(含有6g(NH4)2S2O8的200mL 1mol/L的HCl)，发生聚合反应生成沉淀，经清洗和过滤得到碳纳米管/聚苯胺复合材料，最后将碳纳米管/聚苯胺复合材料溶解于20g/L的N-甲基吡咯烷酮溶液中，混合均匀后，涂敷在金属双极板表面上，经0.1mol/L盐酸浸泡2h后，50℃下真空烘干得到。
实施例6
碳纤维/聚苯胺复合材料改性金属双极板。
制备过程如下：首先将10mL经过蒸馏和纯化的苯胺缓慢加入到600mL的1mol/L的盐酸中，将400mL三氯甲烷与所述溶液混合，再加2g碳纤维后，在冰水浴中不断搅拌，直至均匀分散，然后缓慢滴加过硫酸铵的盐酸溶液(含有6g(NH4)2S2O8的200mL 1mol/L的HCl)，发生聚合反应生成沉淀，经清洗和过滤得到碳纤维/聚苯胺复合材料，最后将碳纤维/聚苯胺复合材料溶解于20g/L的N-甲基吡咯烷酮溶液中，混合均匀后，涂敷在金属双极板表面上，经0.1mol/L盐酸浸泡2h后，50℃下真空烘干得到。

Claims (6)

1. 一种质子交换膜燃料电池金属双极板的表面处理方法，其特征在于，处理方法为：苯胺单体溶于酸中，与溶剂和质量为苯胺5％～20％的碳材料混合，在上述混合溶液中添加氧化剂制成碳/聚苯胺复合材料，将上述材料溶解于10～50g/L的N-甲基吡咯烷酮溶液中，涂敷在金属双极板表面，稀酸浸泡1～5小时，低温真空干燥。
2. 根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池金属双极板的表面处理方法，其特征在于所述碳材料为炭黑、碳粉、乙炔黑、碳纤维或其混合物。
3. 根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池金属双极板的表面处理方法，其特征在于所述溶剂为脂肪烃溶剂、脂环族溶剂或芳香族溶剂。
4. 根据权利要求1或3所述质子交换膜燃料电池金属双极板的表面处理方法，其特征在于所述溶剂为三氯甲烷、三氯乙烷、醇类、醚类或甲苯。
5. 根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池金属双极板的表面处理方法，其特征在于所述氧化剂为过硫酸铵、二氧化锰、双氧水、重铬酸钾、高锰酸钾或其混合物。
6. 根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池金属双极板的表面处理方法，其特征在于所述氧化剂与苯胺的质量比为0.6-1∶1。
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