CN108832153B - 一种质子交换膜燃料电池的流场板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜电池的流场板，包括金属基板和设置于所述金属基板上的涂层；所述金属基板为厚度为铝制流场板，所述涂层包括防腐涂层、聚乙炔层和石墨烯金属复合膜；所述铝制流场板厚度为100‑200um，所述铝制流场板上设有流道；所述防腐涂层为在所述铝制流场板表面形成的致密石墨烯涂层；所述聚乙炔层和所述石墨烯金属复合膜交替重复设置在所述防腐涂层外侧，重复的次数为3‑8次。解决了铝制流场板在燃料电池环境下的腐蚀问题。

Description

一种质子交换膜燃料电池的流场板
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池的流场板。
背景技术
燃料电池是一种可以高效地将燃料和氧化剂通过电极反应直接转化为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC，Proton exchange membrane fuel cells)是以固体质子交换膜为电解质，氢气或甲醇为燃料，空气或氧气为氧化剂的燃料电池。
PEMFC的核心是MEA（膜电极组件）和双流场板，MEA是电化学反应的场所，双流场板实现气体均匀分配、收集电流以及排水。为了气体分配和收集电流，双流场板通常需具有良好的导电性能、导热性能、抗燃料和氧化剂的穿透性和在电化学环境中的抗腐蚀性能等。双流场板包括配对的两个流场板，流场板多种多样，常见的有多孔体流场和由各种金属网构造的网状流场板，点状、部分蛇型流场板、交指状流场等。
现有技术中通常在金属流场板表面涂覆导电且耐腐蚀的涂层，常用的金属流场板为不锈钢，不锈钢与铝合金相比，二者价格相当，但是不锈钢的制备工艺复杂，铝合金的制备工艺简单，但是铝的化学性质活泼、不稳定，如何将铝合金应用到流场板中，是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明提出一种质子交换膜燃料电池的流场板，解决了铝制流场板在燃料电池环境下的腐蚀问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种质子交换膜燃料电池的流场板，包括金属基板和设置于所述金属基板上的涂层；所述金属基板为厚度为铝制流场板，所述涂层包括防腐涂层、聚乙炔层和石墨烯金属复合膜；所述铝制流场板厚度为100-200um，所述铝制流场板上设有流道；所述防腐涂层为在所述铝制流场板表面形成的致密石墨烯涂层；所述聚乙炔层和所述石墨烯金属复合膜交替重复设置在所述防腐涂层外侧，重复的次数为3-8次；
其中，预处理后的所述铝制流场板放入含有浓度为1-100mmol/L的四羟基合铝酸根离子的0.05-5mg/ml的氧化石墨烯水溶液中浸渍2-24小时，浸渍温度为20-100℃；取出干燥后在浸渍与20-160g/L的次磷酸钠溶液中处理2-24小时，处理温度为20-100℃；取出后清洗干燥，即在所述铝制流场板表面形成了致密石墨烯涂层；
将所述铝制流场板放入丙酮溶液中，采用三极电体系，所述铝制流场板为工作电极，通入乙炔气，电流低电位为-1.5V，电流密度为30mA/cm2，极化时间为150-220s，在所述铝制流场板上形成聚乙炔层；
所述石墨烯金属复合膜呈现有序、致密的石墨烯层状结构，石墨烯膜与膜之间存在共价键，边缘及缺陷处存在大量球形或半球形金属精细颗粒，颗粒直径处于5-300nm之间，金属元素院子个数与碳原子的个数比为0.5-10%。
可选的，所述四羟基合铝酸根离子的浓度为3-80mmol/L；所述氧化石墨烯水溶液额浓度为0.1-3mg/mL；所述铝制流场板在该溶液中的浸渍温度为30-90℃，浸渍时间为3-18小时。
可选的，所述次磷酸钠溶液的浓度为30-120g/L；所述铝制流场板在该溶液中的处理温度为40-180℃，处理时间为4-18小时。
可选的，所述石墨烯金属复合膜中的金属是铜、镍、锰、锌、银。
可选的，在单层氧化石墨烯溶液中加入预定浓度的金属离子水溶液，以具有聚乙炔层的所述铝制流场板和铂片分别做阳极和阴极，用直流稳压电源提高20V电压，电泳1min，在阳极所述铝制流场板上形成一层薄膜，在真空箱中40℃脱水烘干，得到电化学沉积氧化石墨烯薄膜；然后将所述铝制流场板置入管式石英炉中高温氢氧还原，使得金属精细颗粒嵌入石墨烯复合膜。
可选的，所述涂层的厚度为180-210nm。
采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：
在铝制流场板的表面设置防腐涂层，通过在氧化石墨烯水溶液中引入一定浓度的四羟基合铝酸根离子，利用化学浸渍法及相关技术手段在铝制流场板表面包覆一层致密石墨烯。浸渍过程中产生的氯离子使氧化石墨烯和铝制流场板发生交联，并使涂层的结合力增强，铝离子不断产生使氧化石墨烯层层堆积，进而非常致密。虽然氧化石墨烯层非常致密，但由于氧化石墨烯层自带孔隙，所以在其外侧交替重复设置聚乙炔层和石墨烯金属复合膜。聚乙炔层的厚度为12-22nm，石墨烯金属复合膜中，金属精细颗粒嵌入复合膜，能够封堵石墨烯的空隙，聚乙炔层和石墨烯金属复合膜相互遮挡，进一步提高涂层的抗腐蚀性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请所提供的质子交换膜燃料电池的流场板一个具体实施方式的结构示意图。
其中：1、金属基板 2、防腐涂层 3、聚乙炔层 4、石墨烯金属复合膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的流场板，包括金属基板1和设置于所述金属基板1上的涂层；所述金属基板1为厚度为铝制流场板，所述涂层包括防腐涂层2、聚乙炔层2和石墨烯金属复合膜4；所述铝制流场板厚度为100-200um，所述铝制流场板上设有流道；所述防腐涂层2为在所述铝制流场板表面形成的致密石墨烯涂层；所述聚乙炔层3和所述石墨烯金属复合膜4交替重复设置在所述防腐涂层2外侧，重复的次数为3-8次；
其中，预处理后的所述铝制流场板放入含有浓度为1-100mmol/L的四羟基合铝酸根离子的0.05-5mg/ml的氧化石墨烯水溶液中浸渍2-24小时，浸渍温度为20-100℃；取出干燥后在浸渍与20-160g/L的次磷酸钠溶液中处理2-24小时，处理温度为20-100℃；取出后清洗干燥，即在所述铝制流场板表面形成了致密石墨烯涂层；
将所述铝制流场板放入丙酮溶液中，采用三极电体系，所述铝制流场板为工作电极，通入乙炔气，电流低电位为-1.5V，电流密度为30mA/cm2，极化时间为150-220s，在所述铝制流场板上形成聚乙炔层3；
所述石墨烯金属复合膜4呈现有序、致密的石墨烯层状结构，石墨烯膜与膜之间存在共价键，边缘及缺陷处存在大量球形或半球形金属精细颗粒，颗粒直径处于5-300nm之间，金属元素院子个数与碳原子的个数比为0.5-10%。
在铝制流场板的表面设置防腐涂层2，通过在氧化石墨烯水溶液中引入一定浓度的四羟基合铝酸根离子，利用化学浸渍法及相关技术手段在铝制流场板表面包覆一层致密石墨烯。浸渍过程中产生的氯离子使氧化石墨烯和铝制流场板发生交联，并使涂层的结合力增强，铝离子不断产生使氧化石墨烯层层堆积，进而非常致密。虽然氧化石墨烯层非常致密，但由于氧化石墨烯层自带孔隙，所以在其外侧交替重复设置聚乙炔层3和石墨烯金属复合膜4。聚乙炔层3的厚度为12-22nm，石墨烯金属复合膜4中，金属精细颗粒嵌入复合膜，能够封堵石墨烯的空隙，聚乙炔层和石墨烯金属复合膜相互遮挡，进一步提高涂层的抗腐蚀性能。
具体的，所述四羟基合铝酸根离子的浓度为3-80mmol/L；所述氧化石墨烯水溶液额浓度为0.1-3mg/mL；所述铝制流场板在该溶液中的浸渍温度为30-90℃，浸渍时间为3-18小时。
所述次磷酸钠溶液的浓度为30-120g/L；所述铝制流场板在该溶液中的处理温度为40-180℃，处理时间为4-18小时。
该工艺涂覆方法简单，操作方便，与电镀、化学镀和物理气相沉积等方法相比，成本较低，操作效率高，对技术人员的要求也较低。
上述各具体的实施方式中，所述石墨烯金属复合膜中的金属是铜、镍、锰、锌、银。
进一步的，在单层氧化石墨烯溶液中加入预定浓度的金属离子水溶液，以具有聚乙炔层的所述铝制流场板和铂片分别做阳极和阴极，用直流稳压电源提高20V电压，电泳1min，在阳极所述铝制流场板上形成一层薄膜，在真空箱中40℃脱水烘干，得到电化学沉积氧化石墨烯薄膜；然后将所述铝制流场板置入管式石英炉中高温氢氧还原，使得金属精细颗粒嵌入石墨烯复合膜。
具体的，所述涂层的厚度为180-210nm。
通过金属离子支撑石墨烯膜，金属离子形成金属颗粒，嵌入石墨烯粉子膜内，不但填补石墨烯的空隙，还进一步增强了石墨烯膜的导电性能。该方式可以制备多种金属与石墨烯的复合膜，整个过程操作方便，可调节程度高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种质子交换膜燃料电池的流场板，其特征在于，包括金属基板和设置于所述金属基板上的涂层；所述金属基板为铝制流场板，所述涂层包括防腐涂层、聚乙炔层和石墨烯金属复合膜；所述石墨烯金属复合膜中的金属是铜、镍、锰、锌、银；所述铝制流场板厚度为100-200um，所述铝制流场板上设有流道；所述防腐涂层为在所述铝制流场板表面形成的致密石墨烯涂层；所述聚乙炔层和所述石墨烯金属复合膜交替重复设置在所述防腐涂层外侧，重复的次数为3-8次；
其中，所述铝制流场板放入含有浓度为1-100mmol/L的四羟基合铝酸根离子的0.05-5mg/ml的氧化石墨烯水溶液中浸渍2-24小时，浸渍温度为20-100℃；取出干燥后在浸渍于20-160g/L的次磷酸钠溶液中处理2-24小时，处理温度为20-100℃；取出后清洗干燥，即在所述铝制流场板表面形成了致密石墨烯涂层；
将形成了致密石墨烯涂层的铝制流场板放入丙酮溶液中，采用三极电体系，以形成了致密石墨烯涂层的铝制流场板为工作电极，通入乙炔气，电流低电位为-1.5V，电流密度为30mA/cm2，极化时间为150-220s，在形成了致密石墨烯涂层的所述铝制流场板上形成聚乙炔层；
在单层氧化石墨烯溶液中加入预定浓度的金属离子水溶液，以具有聚乙炔层的致密石墨烯涂层的铝制流场板和铂片分别做阳极和阴极，用直流稳压电源提高20V电压，电泳1min，在阳极具有聚乙炔层的致密石墨烯涂层的铝制流场板上形成一层薄膜，在真空箱中40℃脱水烘干，得到电化学沉积氧化石墨烯薄膜；然后将带聚乙炔层、致密石墨烯涂层、电化学沉积氧化石墨烯薄膜的铝制流场板置入管式石英炉中高温氢氧还原，使得金属精细颗粒嵌入石墨烯复合膜;
所述石墨烯金属复合膜呈现有序、致密的石墨烯层状结构，石墨烯膜与膜之间存在共价键，边缘及缺陷处存在大量球形或半球形金属精细颗粒，颗粒直径处于5-300nm之间，金属元素院子个数与碳原子的个数比为0.5-10%。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的流场板，其特征在于，所述四羟基合铝酸根离子的浓度为3-80mmol/L；所述氧化石墨烯水溶液额浓度为0.1-3mg/mL；所述铝制流场板在该溶液中的浸渍温度为30-90℃，浸渍时间为3-18小时。
3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的流场板，其特征在于，所述次磷酸钠溶液的浓度为30-120g/L；所述铝制流场板在该溶液中的处理温度为40-180℃，处理时间为4-18小时。
4.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的流场板，其特征在于，所述涂层的厚度为180-210nm。
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