CN101222054A - 一种质子交换膜燃料电池金属双极板的化学改性方法 - Google Patents

Abstract

一种质子交换膜燃料电池金属双极板的化学改性方法，其特征在于，该方法为：采用化学处理液改性金属双极板；将经过预处理的金属板放到配制好的含有一定浓度的柠檬酸、硫酸、磷酸、双氧水中的两种或三种的混合溶液中，在一定温度下保持相应时间后取出，进行后续处理备用；其中：柠檬酸溶液的浓度为1％～10％，硫酸溶液浓度为1％～20％，磷酸溶液的浓度为10％～30％，双氧水浓度为1％～20％，改性化学溶液的使用的温度为10℃～90℃，化学处理的时间为30s～3600s。本发明有益效果是：对金属板改性，实现改善金属板在燃料电池操作环境中的耐蚀性。

Description

一种质子交换膜燃料电池金属双极板的化学改性方法

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池双极板的制备技术，具体地说是一种质子交换膜燃料电池薄层金属双极板的改性方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以全氟磺酸型固体聚合物为电解质、氢或净化重整气为燃料、空气或氧气为氧化剂，将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置。其作用机理是，在催化剂作用下，氢气在阳极发生的反应为：H₂→2H⁺+2e，该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则经电解质膜到达阴极，氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水：

PEMFC除具有燃料电池的一般特点如能量转化效率高、环境友好外，还具有室温快速启动、无电解液流失、寿命长、比功率与比能量高等突出特点。因此，它不仅可用于建设分散电站，也适宜于可移动动力源，在未来的以氢作为主要能量载体的氢能时代，它是最佳的家庭动力源。

双极板是燃料电池关键部件之一，它一般包括极板和流场。极板在燃料电池中主要功能是：1)收集电流，因而必须是电的良导体；2)保证电池温度分布均匀和散热方案的实施，须是热的良导体；3)表面电阻低，减少电池内阻；4)具有一定的机械强度和刚度，在电池操作环境下不发生蠕变；5)燃料和氧化剂非穿透性，能够分隔氧化剂与还原剂；6)在电池电化学环境中耐腐蚀；7)低密度性，以提高电池的比功率密度等。流场则是均匀分配燃料与氧化剂，保证电流密度分布均匀，避免局部过热，并使反应尾气能排出电池生成水。

在PEMFC中，双极板不仅占据体积和重量的主要部分，而且占据生产成本相当大的比例，成为阻碍质子交换膜燃料电池商业化的关键部件之一。双极板可分为炭板和金属板两大类，而炭板又可细分为纯石墨双极板、模铸双极板和膨胀石墨双极板。

由于炭板脆性大、机械强度差，同时加工成本都比较昂贵，其大规模商业化应用存在极大的困难。铝板特别活泼，在PEMFC环境下极易腐蚀，迄今为止还没有合适的改性方法，钛板本身的氧化膜显著增加内阻，通常是电镀金等贵金属，批量生产时加工成本也不易接受。薄层金属板不仅具有足够的机械强度，而且易于加工成型和批量生产，是最有潜力的炭板替代材料。未经处理的金属板在电池环境下易发生腐蚀，腐蚀形成的金属离子在质子交换膜内沉积，降低质子通过能力而严重影响电池性能，因而金属板必须进行改性。双极板的研究重点之一是对价格低廉的金属板进行改性。因此，开发一种新型的既能提高金属板在电池环境下的耐蚀性，又不影响其电性能的改性方法，对降低双极板成本、延长其使用寿命显得非常必要，并对质子交换膜燃料电池的商业化进程具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单易行的质子交换膜燃料电池金属双极板的化学改性方法，对金属板改性，实现改善金属板在燃料电池操作环境中的耐蚀性。

本发明技术方案是：采用化学处理液改性金属双极板，具体过程是将经过预处理的金属板放到配制好的含有一定浓度的柠檬酸、硫酸、磷酸、双氧水等中的两种或三种的混合溶液中，在一定温度下保持相应时间后取出，进行后续处理备用。

化学改性处理中使用酸可以为柠檬酸、硫酸、磷酸中的一种、两种或三种。所述柠檬酸溶液的浓度为1％～10％，所述硫酸溶液浓度为1％～20％，磷酸浓度为10％～30％，所述双氧水浓度为1％～20％。所述改性化学溶液的使用的温度为10℃～90℃，化学处理的时间为30s～3600s。在所述的化学处理溶液使用过程中添加了促进钝化的物质，促进钝化的物质为双氧水。化学处理的金属板为普通的18-8不锈钢板。

本发明具有如下有益效果：

1.经本发明化学改性薄层金属双极板可使其在在模拟电池阳极环境下的腐蚀电流密度从50μA/cm²降低到10μA/cm²以下，耐蚀性显著提高。

2.本发明仅是将金属板浸泡在化学处理液中直接进行处理，极板的主体仍是不锈钢板，因而极板仍有足够的机械强度和导电性能。

3.本发明利用化学抛光的原理对不锈钢双极板改性，利用化学处理液中的成分对金属的选择性溶解原理，使金属板形成富铬表面，达到增加耐蚀性的目的。制备工艺简单，加工成本低，对降低质子交换膜燃料电池双极板的生产成本、加速其商业化进程具有重要的实际意义。

4.具有广泛的应用前景。利用化学抛光选择性溶解的方法，在薄层金属板表面形成富铬表面层，能显著提高薄层金属板的耐蚀性，可批量生产，对即将进入商业市场的燃料电池而言，具有广阔的应用前景。本发明适用于低温燃料电池用薄层金属双极板的表面改性，特别适用质子交换膜燃料电池薄层不锈钢双极板的表面改性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为未处理和经不同浓度化学处理液改性304不锈钢板在模拟阳极环境下的阳极极化曲线。

具体实施方式

下面以304不锈钢板为例，说明不同处理液的改性效果：

实施例1

取304不锈钢，经常规打磨、水洗、醇洗、脱脂吹干后，放入加热到20℃的3％的柠檬酸+5％的双氧水溶液中浸泡30分钟取出，经弱碱性溶液、蒸馏水、乙醇、丙酮清洗后吹干，改性后极板在模拟电池阳极环境(温度80℃，腐蚀液0.05mol/L H₂SO₄+2ppmF^-溶液，连续通H₂后放入式样)中的极化曲线见图1。经聚改性后304不锈钢板的腐蚀电流密度由空白时50μA/cm²降低到2μA/cm²以下(电位低于0.8V相对饱和甘汞电极)，耐蚀性显著提高。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

取304不锈钢板，经常规打磨、水洗、醇洗、脱脂吹干后，放入加热到40℃的10％的柠檬酸+5％的双氧水溶液中浸泡90分钟取出，经弱碱性溶液、蒸馏水、乙醇、丙酮清洗后吹干，改性后极板在模拟电池阳极环境(温度80℃，腐蚀液0.05mol/L H₂SO₄+2ppmF^-溶液，连续通H₂后放入式样)中的极化曲线见图1。经聚改性后304不锈钢板的腐蚀电流密度由空白时50μA/cm²降低到10μA/cm²以下(电位低于0.8V相对饱和甘汞电极)。

结果：改性后304不锈钢在模拟腐蚀液中腐蚀腐蚀电流密度降低到10μA/cm²以下，耐蚀性同样提高显著(参见图1)。

实施例3

与实施例2不同之处在于：

化学处理液为10％的柠檬酸+20％的双氧水溶液中，浸泡60分钟，溶液温度为20℃。经改性后304不锈钢板的腐蚀电流密度由空白时50μA/cm²降低到10μA/cm²以下。

结果：改性后304不锈钢在模拟腐蚀液中腐蚀腐蚀电流密度同样降低到10μA/cm²以下，耐蚀性也提高显著(参见图1)。

实施例4

与实施例2不同之处在于：

化学处理液为3％的柠檬酸+20％的双氧水溶液中，浸泡90分钟，溶液温度为60℃。经改性后304不锈钢板的腐蚀电流密度由空白时50μA/cm²降低到5μA/cm²以下(电位低于0.8V相对饱和甘汞电极)。

结果：改性后304不锈钢在模拟腐蚀液中腐蚀腐蚀电流密度同样降低到10μA/cm²以下，耐蚀性也提高显著(参见图1)。

实施例5

与实施例2不同之处在于：

化学处理液为5％柠檬酸+20％双氧水+20％H₃PO₄溶液中，浸泡90分钟，溶液温度为20℃。经改性后304不锈钢板的腐蚀电流密度由空白时50μA/cm²降低到30μA/cm²以下(电位低于0.5V相对饱和甘汞电极)。

结果：经化学处理后同样能提高304不锈钢在模拟腐蚀液中的耐蚀性(参见图1)。

实施例6

与实施例2不同之处在于：

化学处理液为10％柠檬酸+5％双氧水+30％H₃PO₄+5％H₂SO₄溶液中，浸泡60分钟，溶液温度为60℃。经改性后304不锈钢板的腐蚀电流密度由空白时50μA/cm²降低到10μA/cm²以下(电位低于0.8V相对饱和甘汞电极)。

结果：经化学处理后同样能显著提高304不锈钢在模拟腐蚀液中的耐蚀性(参见图1)。

Claims (3)

1.一种质子交换膜燃料电池金属双极板的化学改性方法，其特征在于，该方法为：采用化学处理液改性金属双极板；将经过预处理的金属板放到配制好的含有一定浓度的柠檬酸、硫酸、磷酸、双氧水中的两种或三种的混合溶液中，在一定温度下保持相应时间后取出，进行后续处理备用；其中：柠檬酸溶液的浓度为1％～10％，硫酸溶液浓度为1％～20％，磷酸溶液的浓度为10％～30％，双氧水浓度为1％～20％，改性化学溶液的使用的温度为10℃～90℃，化学处理的时间为30s～3600s。

2.按照权利要求1所述质子交换膜燃料电池金属双极板改性的方法，其特征在于：化学处理液中使用的酸可以为柠檬酸、硫酸、磷酸中的一种、两种或三种。

3.按照权利要求1所述质子交换膜燃料电池金属双极板改性的方法，其特征在于，所述的金属板为18-8毫米不锈钢板。

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