CN113809347A - 一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层及其制备工艺，该耐蚀涂层包括涂覆在金属极板表面的导电粘性胶体层，以及设置在导电粘性胶体层外表面的强耐蚀层，所述强耐蚀层为导电聚合物片、导电陶瓷片或碳基薄膜中的一种。本发明利用外层强耐蚀层有效防止金属双极板遭受燃料电池环境的侵蚀，利用内侧高导电胶体层将膜基结合，同时高导电胶体层的存在有效降低了膜基界面间的接触电阻。因通过粘结的方法对金属双极板进行表面处理，强耐蚀层可独立准备，故无需考虑外侧强耐蚀层与金属极板的界面问题，大大扩展了耐蚀保护膜层与金属极板材料的选择范围，选定强耐蚀层后可适用于多种材质的金属双极板，提高了单一膜层对不同金属极板的适配性等。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层及其制备工艺。
背景技术
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)属于燃料电池的一种，其利用分别通入内部的氢气与氧气作为能量来源，通过氧化还原反应从而产生电流供电。因其发电过程不涉及卡诺循环，能量利用率很高，无污染，且工作温度低，启动速度快，近年来被认为是最适合在交通工具上应用的新型能源。
PEMFC的关键构件包括膜电极(MEA)、端板及双极板等。在PEMFC的运行过程中，双极板承担多项角色，包括支撑MEA、传导电流、导通气体、排除反应热量等，其质量与体积分别占到整个燃料电池的70％与80％以上。因此，双极板应具有良好的机械性能、导电性能、导热性能等，同时，由于燃料电池内部工作环境含有硫酸(pH＝2～3)和氢氟酸(0.1ppm)，工作温度为80℃，因此双极板的耐蚀性也至关重要。
近年来，石墨双极板由于加工成本高，成品率低等一系列缺点逐渐被金属双极板所替代，金属双极板体积薄、机械强度高且加工工艺便于控制，有着十分广阔的应用前景，然而，普通的金属双极板往往会在苛刻的电池环境下发生严重的腐蚀，大大降低燃料电池的工作效率，无法满足长期工作的要求，因此金属双极板表面膜层制备成为提升燃料电池金属双极板耐蚀性能的主流方向。
目前，金属极板材质与保护膜层材料的选择方面搭配较为固定，金属极板材质及膜层材料选择范围小，且选定的耐蚀膜层与其制备方法往往仅适用于特定金属极板，考虑到膜层与基体间的界面过渡问题，在变更金属极板材质时往往需要根据不同的金属特性而调整膜层材料与膜层制备方法，工艺繁琐。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层及其制备工艺。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层，包括涂覆在金属极板表面的导电粘性胶体层，以及设置在导电粘性胶体层外表面的强耐蚀层，所述强耐蚀层为导电聚合物片、导电陶瓷片或碳基薄膜中的一种。
进一步的，所述的导电聚合物片为聚四氟乙烯片。
进一步的，所述的导电粘性胶体层为铜浆层。一般而言，铜浆的耐蚀性等并不强，很少用来作为燃料电池内部的连接层，而本发明通过在外层设置强耐蚀层防腐，可以有效隔绝腐蚀介质的渗透，从而避免铜浆的腐蚀，使得采用低成本的铜浆作为导电粘性胶体层成为可能，并同时也可以充分利用其导电性来传导电流。
进一步的，所述的导电粘性胶体层的厚度小于30μm。
进一步的，所述的强耐蚀层的厚度为20～100μm。
进一步的，所述的强耐蚀层的过平面电阻应低于15mΩ·cm2(ASTM C-611)。
进一步的，所述的金属极板的材料为不锈钢、铝合金、镁合金、钛合金或铜合金。
本发明的技术方案之二提供了一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)取金属极板机械打磨后，采用有机溶剂超声清洗，然后，将导电粘性胶体涂覆在金属极板表面，得到未固化的膏状的导电粘性胶体层；
(2)将强耐蚀层裁减至指定形状并贴附在膏状的导电粘性胶体层上，施加压力，使得强耐蚀层与导电粘性胶体层充分接触；
(3)将金属极板置于烘箱中固化，保持施加的压力，即完成在燃料电池金属双极板上制备耐蚀涂层。
进一步的，步骤(2)和步骤(3)中，施加的压力为10～100N。
进一步的，步骤(3)中，固化的温度为120～160℃，时间为1～2h。
本发明中，强耐蚀层作为保护金属极板的关键屏障，其抗腐蚀能力与厚度不可过低，否则将提高双极板失效的风险，同时在考虑成本的情况下其厚度无须过高，否则将会提高生产成本；强耐蚀层的自腐蚀电流密度与阳极电位下的腐蚀电流密度直接决定了金属极板整体的腐蚀速度以及金属极板的使用寿命，故其约低越好；强耐蚀层需要一定的电导率来传导电流，其会对燃料电池的输出功率产生影响，因此其过平面电阻越低越好。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明利用粘结的工艺对金属双极板进行表面保护涂层制备，利用导电胶体将强耐蚀层施加于金属双极板表面，有效避免了金属双极板与燃料电池环境中的腐蚀介质接触，同时利用导电胶体的优异导电性能，显著降低了膜基界面处电阻；
(2)无需依赖大型仪器设备；
(3)无需考虑界面问题，膜层材料选择范围广泛；
(4)选定耐蚀层后可适用于多种材质的金属双极板，使得膜层材料与金属极板间的搭配选择更加多样化；
(5)制备工艺简单快捷。
附图说明
图1为实施例1中防腐涂层的结构示意图；
图2为实施例1中样品在pH＝3、80℃的H2SO4(含0.1ppm HF)溶液中0.84V(vs SHE)恒电位极化10000s的电流密度曲线；
图3为实施例1中样品的接触电阻测试结果；
图4为对比例1所得样品的电化学测试结果；
图5为对比例2所得样品的电化学测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，所用金属极板材料为316L不锈钢；所用导电胶体为市售产品：深圳夏特科技有限公司，牌号S-Y3001型(其为铜浆)。
其余如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售产品或常规原料。
实施例1：
本实施例提供了一种用于燃料电池金属双极板的耐蚀涂层粘结制备工艺，包括：
1)金属极板预处理：将极板进行机械打磨，并依次使用丙酮、无水乙醇将纯镁双极板进行超声振动清洗。
2)导电胶体层2(即导电粘性胶体层)制备：采用刮涂刀片将导电胶体涂敷在金属极板1表面，得到未固化的导电胶体层2，涂敷厚度为50μm；
3)强耐蚀层：将20μm厚的聚四氟乙烯片裁剪至1cm2附在导电胶体层2表面，形成强耐蚀层3。
4)在强耐蚀层3表面施加10～100N(本实施例选择20N)的压力，使导电胶体层2与强耐蚀层3充分接触。
5)将涂敷好防腐涂层的金属极板1放入烘干箱中设置温度120～160℃(本实施例为130℃)保温1～2小时(本实施例为1.5h)使导电胶体层2完全固化并将强耐蚀层3与金属极板1粘结，涂层制备完毕，制得的结构如图1所示。
6)将制备好的涂层进行性能表征，燃料电池环境下电化学测试结果如图2所示，从图中可以看出其稳定后的腐蚀电流密度低于5×10-8uA/cm2，即符合2020年美国能源部针对燃料电池双极板的腐蚀性能要求指标。
同时，涂层接触电阻测试结果如图3所示，从图中可以看出，随着压力的增加，接触电阻显著降低，在1.4Mpa下为9mΩ·cm2，满足2020年美国能源部针对燃料电池双极板的接触电阻要求指标，即1.4Mpa压力下不超过10mΩ·cm2。
对比例1：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了将金属极板材料更换为铝合金，图4为其在相同电化学环境下的电化学测试结果，可见其腐蚀电流密度并未见显著变化，由此可见选定耐蚀膜层后，即使更换金属极板材质其性能仍可发挥。
对比例2：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了将强耐蚀层更换为20μm的钽箔，图5为其在相同电化学环境下的电化学测试结果，可见其腐蚀电流密度也低于能源部要求的5×10- 8uA/cm2。但是需要指出的，对于钽箔等而言，其在后续使用过程很容易因为钝化而导致电阻提高，从而影响双极板的工作效率，而实施例1中采用聚四氟乙烯片则由于不是金属材料，不会存在钝化等现象。
实施例2：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了将聚四氟乙烯片改为等厚度的导电陶瓷片。
实施例3：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了将聚四氟乙烯片改为等厚度的碳基薄膜。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层，其特征在于，包括涂覆在金属极板表面的导电粘性胶体层，以及设置在导电粘性胶体层外表面的强耐蚀层，所述强耐蚀层为导电聚合物片、导电陶瓷片或碳基薄膜中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层，其特征在于，所述的导电聚合物片为聚四氟乙烯片。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层，其特征在于，所述的导电粘性胶体层为铜浆层。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层，其特征在于，所述的导电粘性胶体层的厚度小于30μm。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层，其特征在于，所述的强耐蚀层的厚度为20～100μm。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层，其特征在于，所述的强耐蚀层的过平面电阻应低于15mΩ·cm2。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层，其特征在于，所述的金属极板的材料为不锈钢、铝合金、镁合金、钛合金或铜合金。
8.如权利要求1-7任一所述的一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取金属极板机械打磨后，采用有机溶剂超声清洗，然后，将导电粘性胶体涂覆在金属极板表面，得到未固化的膏状的导电粘性胶体层；
(2)将强耐蚀层裁减至指定形状并贴附在膏状的导电粘性胶体层上，施加压力，使得强耐蚀层与导电粘性胶体层充分接触；
(3)将金属极板置于烘箱中固化，保持施加的压力，即完成在燃料电池金属双极板上制备耐蚀涂层。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中，施加的压力为10～100N。
10.根据权利要求8所述的一种燃料电池金属双极板的耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，固化的温度为120～160℃，时间为1～2h。
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2021
- 2021-09-09 CN CN202111055053.XA patent/CN113809347A/zh active Pending
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