CN101136479A - 一种燃料电池用双极板的制备方法 - Google Patents

一种燃料电池用双极板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属新能源材料领域，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池用双极板的制备方法。该制备方法的特征是以铝合金为基体材料，采用电脑雕刻方法制备流场，采用碱性和酸性双溶液体系化学镀镍磷合金对其进行表面改性处理。采用该方法制备的双极板质量轻、导热与导电性能好、接触电阻小和耐腐蚀、流场加工容易、成品率高和价格低等优点，耐蚀性能优于316不锈钢，3mm厚的双极板的体积电阻率为8～10μΩ.cm，与纯镍相当，是316不锈钢的1/10～1/7和石墨板的1/20～1/15。

Description

一种燃料电池用双极板的制备方法
技术领域
本发明属新能源材料领域，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池用双极板的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有工作温度低、启动快、无腐蚀、不怕震动、能量密度高和输出功率容易调整等突出优点而成为燃料电池的研究开发热点。目前的双极板采用碳板、石墨-树脂、不锈钢等材料制备，这些双极板存在的问题：碳板双极板的机械强度低、孔隙率高、流场加工困难；石墨-树脂复合材料双极板的电导率低、流场加工困难；不锈钢双极板的密度大、容易氧化和导电性差。同时，上述双极板成本也较高，制约了PEMFC推广应用。从导电率、机械强度和密度等因素综合考虑，铝合金是质子交换膜燃料电池双极板的理想材料，但是由于铝合金容易发生氧化反应，不仅氧化膜导致接触电阻增大，而且溶解铝离子还会污染电催化剂和质子交换膜，导致电池性能降低。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种质子交换膜燃料电池用双极板的制备方法。采用该方法制备的双极板导热与导电性能好、耐腐蚀、成品率高和价格低。
本发明是通过以下方式实现的：
一种燃料电池用双极板的制备方法，其特征是以铝合金为基体材料，采用碱性化学预镀镍和酸性化学镀镍对其进行表面改性处理，具体包括以下步骤：
1.以铝合金为基体材料，采用电脑雕刻方法制备流场，流道宽度和深度为0.5～1.5mm；
2.将雕刻流场后的铝合金基体材料进行除油和酸洗活化预处理，使其表面无油和无氧化膜；
3.将预处理的铝合金基体材料进行浸锌处理，溶液组成和工艺参数：氢氧化钠80～100 g/L，七水硫酸锌30～50g/L，氟化钠100～120g/L，无水三氯化铁1～5g/L，温度35～40℃，时间30～120s；采用二次浸锌可以获得均匀致密的浸锌层；退锌溶液组成和工艺参数：硝酸500ml/L，温度20～40℃，退尽为止；
4.将浸锌处理的铝合金基体材料在碱性溶液中化学镀镍磷合金，镀层厚度为0.5～1.5um，溶液组成和工艺参数为：六水硫酸镍20～30g/L，次亚磷酸钠18～28g/L，柠檬酸35～50g/L，pH＝9～10，温度65～75℃，时间3～5min；
5.将碱性预镀镍磷合金的铝合金基体材料在酸性溶液中化学镀镍磷合金，得到表面改性铝合金双极板，镍磷合金镀层厚度为30～50um，溶液组成和工艺参数为：六水硫酸镍25～40g/L，次亚磷酸钠20～35g/L，复合络合剂(由柠檬酸、乳酸、酒石酸、苹果酸、丁二酸组成)20～35g/L，pH＝4.0～5.5，温度80～95℃，时间2～4h。
采用该方法制备的双极板质量轻、导热与导电性能好、接触电阻小和耐腐蚀；流场加工容易、成品率高和价格低。耐蚀性能优于316不锈钢，3mm厚的双极板的体积电阻率为8～10μΩ.cm，与纯镍(9.5μΩ.cm)相当，是316不锈钢(70～8μΩ.cm)的1/10～1/7和石墨板(110～150μΩ.cm)的1/20～1/15。
附图说明：
图1为本发明实施例1表面改性后铝合金双极板的扫描电镜图。
具体实施方式
下面给出本发明的三个最佳实施例：
实施例1
以3mm厚度铝合金为基体材料，采用电脑雕刻方法制备流场，流道宽度和深度为0.5mm；除油和酸洗活化预处理使其表面无油和无氧化膜；采用二次浸锌处理，浸锌溶液组成和工艺参数：氢氧化钠80g/L，七水硫酸锌30g/L，氟化钠100g/L，无水三氯化铁1g/L，温度40℃，时间120s；退锌，硝酸500ml/L，温度40℃；碱性化学镀镍磷合金，厚度为0.5um，溶液组成和工艺参数：六水硫酸镍20g/L，次亚磷酸钠18g/L，柠檬酸50g/L，pH＝10，温度75℃，时间3min；酸性化学镀镍磷合金，厚度为30um，溶液组成和工艺参数：六水硫酸镍25g/L，次亚磷酸钠1g/L，复合络合剂20g/L，pH＝5.5，温度80℃，时间2h。制备的双极板体积电阻率为8μΩ.cm，结构和表面形貌示如图1所示。从图1中看出，化学镀镍磷合金层放大30000倍才观察到晶胞，细小晶胞使镀层呈现良好的耐蚀性，涂层没有微孔证明了镀层的完整性；这些结构特征决定了经过化学镀镍表面改性后的铝合金双极板具有优异的抗氧化、抗溶解性能，从而提高了电接触的可靠性。
实施例2
流场宽度和深度分别为1.5mm；浸锌溶液组成和工艺参数：氢氧化钠100g/L，七水硫酸锌50g/L，氟化钠120g/L，无水三氯化铁5g/L，温度35℃，时间60s；碱性预镀镍磷合金，厚度为1.5um，溶液组成和工艺参数：六水硫酸镍30g/L，次亚磷酸钠28g/L，柠檬酸50g/L，pH＝9，温度65℃，时间5min；酸性镀镍磷合金，厚度为50um，溶液组成和工艺参数：六水硫酸镍40g/L，次亚磷酸钠35g/L，复合络合剂35g/L，pH＝4.0，温度95℃，时间4h。其它同实施例1。制备的双极板体积电阻率为10μΩ.cm。
实施例3
流场宽度和深度分别为1.0mm；浸锌溶液组成和工艺参数：氢氧化钠90g/L，七水硫酸锌40g/L，氟化钠110g/L，无水三氯化铁3g/L，温度38℃，时间90s；碱性预镀镍磷合金，厚度为1.0um，溶液组成和工艺参数：六水硫酸镍25g/L，次亚磷酸钠23g/L，柠檬酸40g/L，pH＝9.5，温度70℃，时间4min；酸性镀镍磷合金，厚度为40um，溶液组成和工艺参数：六水硫酸镍35g/L，次亚磷酸钠30g/L，复合络合剂28g/L，pH＝4.8，温度85℃，时间3h。其它同实施例1。制备的双极板的体积电阻率为9μΩ.cm。

Claims (2)

1.一种燃料电池用双极板的制备方法，其特征是以铝合金为基体材料，采用电脑雕刻方法制备流场，采用碱性和酸性双溶液体系对铝合金进行表面改性处理；具体包括以下步骤：
(1)以铝合金为基体材料，采用电脑雕刻方法制备流场，流道宽度和深度为0.5～1.5mm；
(2)将雕刻流场后的铝合金基体材料进行除油和酸洗活化预处理，使其表面无油和无氧化膜；
(3)将预处理的铝合金基体材料进行浸锌处理，采用二次浸锌处理可以获得均匀致密的浸锌层，溶液组成和工艺参数为：氢氧化钠80～100g/L，七水硫酸锌30～50g/L，氟化钠100～120g/L，无水三氯化铁1～5g/L，温度35～40℃，时间30～120s；退锌溶液组成和工艺参数为：硝酸500ml/L，温度20～40℃，退尽为止；
(4)将浸锌处理的铝合金基体材料在碱性溶液中化学镀镍磷合金，厚度为0.5～1.5um，溶液组成和工艺参数为：六水硫酸镍20～30g/L，次亚磷酸钠18～28g/L，柠檬酸35～50g/L，pH＝9～10，温度65～75℃，时间3～5min；
(5)将碱性预镀镍磷合金的铝合金基体材料在酸性溶液中化学镀镍磷合金，得到表面改性铝合金双极板，镍磷合金厚度为30～50um，溶液组成和工艺参数为：六水硫酸镍25～40g/L，次亚磷酸钠20～35g/L，复合络合剂20～35g/L，pH＝4.0～5.5，温度80～95℃，时间2～4h。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用双极板的制备方法，其特征是步骤(5)中的复合络合剂由柠檬酸、乳酸、酒石酸、苹果酸、丁二酸组成。
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