CN102593479A - 一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板及其制备方法和应用 - Google Patents

一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN102593479A
CN102593479A CN2012100373506A CN201210037350A CN102593479A CN 102593479 A CN102593479 A CN 102593479A CN 2012100373506 A CN2012100373506 A CN 2012100373506A CN 201210037350 A CN201210037350 A CN 201210037350A CN 102593479 A CN102593479 A CN 102593479A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bipolar plate
stainless steel
film coating
doping sno
solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2012100373506A
Other languages
English (en)
Inventor
徐群杰
潘红涛
云虹
李巧霞
邓先钦
刘明爽
周罗增
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai University of Electric Power
University of Shanghai for Science and Technology
Original Assignee
Shanghai University of Electric Power
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai University of Electric Power filed Critical Shanghai University of Electric Power
Priority to CN2012100373506A priority Critical patent/CN102593479A/zh
Publication of CN102593479A publication Critical patent/CN102593479A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板。即先配制SbCl3的乙醇溶液即A溶液，再配制SnCl2·2H2O的乙醇溶液即B溶液,缓慢向B溶液中逐滴滴加A溶液，得到Sb掺杂SnO2溶胶液，再通过结合溶胶浸渍-提拉法和醇热法在304不锈钢双极板表面制备一层Sb掺杂SnO2薄膜涂层，从而得一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板，不仅可有效地提高其在PEMFC环境（0.05MH2SO4+2ppmHF）下的性能，且仍有很好的机械强度。另外，本发明的具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板的制备方法具有操作简单，利于规模化生产等特点。

Description

一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板及其制备方法和在PEMFC（质子交换膜燃料电池）中的应用，属不锈钢表面改性技术领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池，不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，能量转化率高达40%~60%，若热电合并则效率可达80%；并具有低温启动、无污染等优点，在军事和便携式电源等方面有着广泛的应用前景，也是最有希望取代石化燃料而成为汽车等运载工具的动力源。
不锈钢双极板是PEMFC的关键部件之一，占总质量的80％，电池堆成本的45％。理想的双极板材料必须具有高电导、耐腐蚀、低密度，高机械强度、高气密性及易加工成型等优点，因此其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。不锈钢材料由于化学稳定性好、强度高、成本低等优点，是最有应用前景的金属材料。
在模拟PEMFC阳极环境中，304不锈钢双极板自腐蚀电流密度为75.079μA/cm2；在模拟PEMFC阴极环境中，304不锈钢双极板自腐蚀电流密度为33.22μA/cm2，长时间处于工作环境下其会发生腐蚀。不锈钢双极板在PEMFC工作环境下，其表面也会发生钝化，因此，一种有效的改性方法是十分必要的。
目前国内外工作者已对不锈钢双极板进行了大量的研究，但各种方法仍存在着一定的不足，如Yi等人通过一种柔性的成形工艺在304不锈钢双极板表面制备了一层碳涂层对其进行改性，虽然具有较小的接触电阻，但稳定性仍有待于进一步提高。Feng等人通过磁控溅射离子镀对不锈钢双极板进行了改性，虽然耐蚀性较好，但由于方法比较复杂，实用性存在一定限制，因而不易广泛应用。
发明内容
本发明的目的之一是为了解决上述的技术问题而提供一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板。
本发明的目的之二是提供上述的一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板的制备方法。即通过结合浸渍-提拉法和醇热法相结合的方法，在304不锈钢上制备一层具有微-纳米结构的耐蚀性的Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板膜，从而提高不锈钢双极板在PEMFC环境中的耐蚀性。
本发明的技术方案
一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板，所述的涂层厚度为10~20nm，所述的Sb掺杂SnO2薄膜涂层中Sb和Sn按摩尔百分比计算，即Sb: Sn为1.65~6.6%: 98.35~93.4%，优选为6.6%: 93.4%； 
上述的一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板的制备方法，即先配制SbCl3的乙醇溶液，称为A溶液，再配制SnCl2·2H2O的乙醇溶液，称为B溶液，最后缓慢向B溶液中逐滴滴加A溶液，最终得到Sb掺杂SnO2溶胶液；然后通过结合溶胶浸渍-提拉法和醇热法在304不锈钢双极板的表面制备一层兼具耐蚀性和导电性的Sb掺杂SnO2薄膜涂层，其具体包括如下制备步骤：
（1）、将无水乙醇，SbCl3加入磨口锥形瓶中，用恒温磁力搅拌器，升温至50℃，磁力搅拌，控制搅拌速率600r/min，形成溶液A；
再将无水乙醇，包裹剂聚乙二醇2000，SnCl2·2H2O先后加入另一磨口锥形瓶中，用恒温磁力搅拌器，升温至50℃，磁力搅拌，控制搅拌速率600r/min，形成溶液B；
最后缓慢向B溶液逐滴滴加A溶液，滴加过程控制温度50℃下，滴加完后进行磁力搅拌，搅拌过程控制转速为600r/min，时间为2h后，再进行陈化24h，得到无色透明的Sb掺杂SnO2溶胶液；
上述所用的SbCl3、SnCl2·2H2O、聚乙二醇2000和无水乙醇的量按质量体积比计算，即SbCl3: SnCl2·2H2O: 聚乙二醇2000: 无水乙醇为0.057~0.228g: 3.2g: 0.23g:50ml（其中SbCl3: SnCl2·2H2O换算成摩尔百分比为1.65~6.6%: 98.35~93.4%），优选为0.228g: 3.2g: 0.23g: 50ml。
其中包裹剂聚乙二醇2000的加入主要是为了防止Sn2+、Sb3+发生团聚；
（2）、基体材料的预处理
基体材料为304不锈钢双极板，先用金相砂纸W20、W10及W5逐级打磨，对打磨好的基体304不锈钢双极板再用无水乙醇脱脂后用超声清洗5min，之后再用去离子水清洗，最后用空气吹干待用；
其中，此过程为现用现做，即304不锈钢双极板要涂膜时再进行此步骤；
（3）、将步骤（1）所得的Sb掺杂SnO2溶胶液放入烧杯中，再将步骤（2）预处理好的304不锈钢双极板材料放入烧杯的Sb掺杂SnO2溶胶液中进行浸渍-提拉成膜，在提拉中保持匀速，提拉完成待膜自然干后放入100℃烘箱中烘干30min，在304不锈钢双极板表面形成一层均匀的薄膜涂层，如果需要更厚的薄膜，重复以上步骤；
其中，在浸渍-提拉过程中，304不锈钢双极板在溶胶液中浸渍时间优选为20s，提拉速度为2mm/s；
（4）、将步骤（3）制得的表面具有薄膜涂层的304不锈钢双极板放入外壳为不锈钢，内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，并向反应釜中加入步骤（1）所得的B溶液至反应釜体积的70%，密封后控制180℃反应温度下反应3h，反应完后自然冷却，并用去离子水清洗其表面，再用空气吹干后放入100℃烘箱中30min，即可得到表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板。
上述的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜的304不锈钢双极板制备过程中，浸渍提拉使Sb掺杂SnO2溶胶液先在304不锈钢双极板的表面形成一层薄膜，以便后面的醇热反应过程中形成的Sb掺杂SnO2薄膜与304不锈钢双极板结合更好。
上述所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板，在PEMFC环境中具有优良的耐蚀性，从而避免了不锈钢腐蚀产生金属阳离子阻断质子交换膜对氢离子的传导能力。
本发明的有益效果
本发明的一种表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板，由于表面具有一层Sb掺杂SnO2薄膜涂层，优选在模拟PEMFC阳极环境中，表面具有Sb掺杂SnO2薄膜的304不锈钢双极板自腐蚀电流密度为0.1656μA/cm2；优选在模拟PEMFC阴极环境中，表面具有Sb掺杂SnO2薄膜的304不锈钢双极板为0.1331μA/cm2，且经2400S的恒电位氧化曲线测试发现，表面具有Sb掺杂SnO2薄膜的304不锈钢双极板在模拟PEMFC阴、阳极环境中，电流在一定时间内迅速下降，之后保持一个稳定值，且最后稳定的电流要比304不锈钢的小2个数量级，因此，表面具有Sb掺杂SnO2薄膜的304不锈钢双极板在PEMFC环境下具有很好的耐蚀性和稳定性。
本发明的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜的304不锈钢双极板，由于其表面具有一层致密均匀的Sb掺杂SnO2薄膜，利用了Sb掺杂饿SnO2优异的抗化学腐蚀性能，降低PEMFC的酸性环境对不锈钢的腐蚀和钝化作用，也因此避免了腐蚀作用释放出的金属阳离子阻断质子交换膜对氢离子的传导能力而导致的电池寿命减损。
本发明的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜的304不锈钢双极板，由于具有很好的导电性，在PEMFC中大大降低了与膜电极的接触电阻，也因此有效降低了电池的内压降，从而提高了电池的输出功率。
本发明的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜的304不锈钢双极板，只是在不锈钢板表面制备适量的Sb掺杂SnO2薄膜，极板的主体仍是不锈钢，因而改性后的双极板仍有很好的机械强度。
另外，本发明的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜的304不锈钢双极板所需的原材料价廉易得，制备方法简单，不需要复杂的工序和仪器设备，在简易条件下便可操作。因此其制备方法具有简单易操作，实用性广等优点，有利于规模化生产。
附图说明
图1-1、实施例1所用的304不锈钢双极板在放大5000倍下的表面形貌图；
图1-2、实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板在放大5000倍下的表面形貌图； 
图2-1、实施例1所用的304不锈钢双极板的表面的原子力显微镜图；
图2-2、实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板的表面的原子力显微镜图；
图3、实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板的XPS谱图；
图4-1、实施例1所用的304不锈钢双极板及实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板分别在模拟PEMFC阳极工作环境下的Nyquist谱图，图中a为实施例1所用的304不锈钢双极板，b为实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板；
图4-2、实施例1所用的304不锈钢双极板及实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板分别在模拟PEMFC阴极工作环境下的Nyquist谱图，图中a为实施例1所用的304不锈钢双极板，b为实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板；
图5-1、实施例1所用的304不锈钢双极板及实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板分别在模拟PEMFC阳极工作环境（通空气）下的Tafel曲线，图中a为实施例1所用的304不锈钢双极板， b为实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板；
图5-2、实施例1所用的304不锈钢双极板及实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板分别在模拟PEMFC阴极工作环境（通氢气）下的Tafel曲线，图中a为实施例1所用的304不锈钢双极板， b为实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板；
图6-1、实施例1所用的304不锈钢双极板及实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板分别在模拟PEMFC阳极工作环境（空气, 0.6V vs SCE）下的恒电位电流-时间曲线，图中a为实施例1所用的304不锈钢双极板，b为实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板；
图6-2、模拟PEMFC阴极工作环境（H2, -0.1V vs SCE）下的恒电位电流-时间曲线，图中a为实施例1所用的304不锈钢双极板，b为实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板；                                                                                                                                                                
图7、实施例1所用的304不锈钢双极板及实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板分别在不同压力下的接触电阻，图中a为实施例1所用的304不锈钢双极板，b为研究所得的表面具有SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板，c为实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板；
图8、本发明的所用的表面接触电阻测试仪的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
电化学测试方法：
表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板进行电化学测试，电解质溶液为0.05M H2SO4+2ppm HF水溶液（此为模拟PEMFC环境，测试时温度为70℃），有效测试面积为1cm2。
阻抗测试频率范围为100K Hz~0.05Hz，激励信号峰值为1mV；
动电位极化曲线扫描范围为-0.25V~+1.0V(vs OCP)，扫描速度为1mV/s；
恒电位电流-时间测试分别在模拟PEMFC阴极环境（通空气）、阳极环境（通H2）下进行，初始电位阳极为-0.1V (vs SCE)，阴极为0.6V (vs SCE)，采样间隔0.1s，实验时间4h。
本发明所用的简易自制表面接触电阻测试仪，其结构示意图如图8所示，包括一个待测样品1，两张一定面积的碳纸21、22，两块导电性良好的铜电极板31、32，一个微欧表6，一台万能拉伸试验机，5为其载物台、4为其升降台，测试时压力通过软件设置，由万能拉伸机提供。
使用时，待测样品1的上面和下面各放一张碳纸21和22，并将其平放于载物台5上的一块铜电极板32上。然后将另一块铜电极板31放于上方的碳纸21的正上方，升降台4对铜电极板31提供压力，两铜电极板31、32分别与微欧表6相接。
实施例1
一种表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板，所述的涂层厚度为10~20nm，所述的Sb掺杂SnO2薄膜涂层中Sb和Sn按摩尔比计算，即Sb: Sn为6.6%: 93.4%。
上述的一种表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板的制备方法，包括如下步骤：
（1）、将50ml无水乙醇，0.23g包裹剂聚乙二醇2000，3.2g SnCl2·2H2O先后加入磨口锥形瓶中，用恒温磁力搅拌器搅拌，升温至50℃，待形成均匀溶液后，取事先配好的SbCl3的乙醇溶液（0.25M）1mmol，缓慢逐滴加入上述溶液，滴加过程控制温度50℃下，滴加完后进行磁力搅拌，搅拌过程控制转速为600r/min，时间为2h后，再陈化24h，得到无色透明的Sb掺杂SnO2溶胶液；
（2）、对基体材料10mm×35mm×2mm的304不锈钢双极板进行预处理，即使用金相砂纸W20、W10及W5对其逐级打磨，对打磨好的基体304不锈钢双极板用无水乙醇脱脂，并用超声清洗5min，之后再用去离子水清洗，最后用空气吹干待用；
（3）、取10ml步骤（1）所得的Sb掺杂SnO2溶胶液放入10ml的小烧杯，将步骤（2）预处理好的304不锈钢双极板放入到小烧杯的溶胶液中进行浸渍-提拉成膜，浸渍时间为20s，提拉速度为2mm/s，提拉次数为2次，提拉完成待膜自然干后放入100℃烘箱中烘干30min，在304不锈钢双极板表面形成一层薄膜涂层；
（4）、将步骤（3）所得的表面具有一层薄膜涂层的304不锈钢双极板放入高 压反应釜内衬中，并向内衬中加入步骤（1）所得的B溶液（SnO2溶胶），加入的溶胶液的量为反应釜体积的70%，密闭后控制温度为180℃，时间为3h进行反应，反应完后自然冷却，并用去离子水清洗304不锈钢的表面，再空气吹干后放入100℃烘箱中30min，即可得到表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板。
实施例2
Sb掺杂SnO2薄膜涂层中Sb和Sn按摩尔比计算，即Sb: Sn为1.65%: 98.35%。其中，SbCl3乙醇溶液（0.25M）用量为0.25mmol，其它同实施例1操作。
实施例3
Sb掺杂SnO2薄膜涂层中Sb和Sn按摩尔比计算，即Sb: Sn为3.3%: 96.7%。其中，SbCl3乙醇溶液（0.25M）用量为0.5mmol，其它同实施例1操作。
将上述实施例1所用的304不锈钢双极板和最终所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板用HITACHI公司的SU-1500扫描电子显微镜放大5000倍进行观察，所得的表面形貌图如图1-1及图1-2所述。
从图1-1及图1-2的对比中可以看出经表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板的表面具有一层致密的微-纳米结构膜。
将上述的实施例1所用的304不锈钢双极板和最终所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板表面的原子力显微镜图（AFM, Molecular Imaging PicoScan 2100，采用轻敲模式测试)如图2-1，2-2所示，对比图2-1，2-2中可以看出表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板表面具有一层致密均匀的薄膜。
图3为实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板表面的XPS谱图（PHI 5000C ESCA System,先采集样品的0~1200eV的全扫描谱，再采集各元素相关轨道的窄扫描谱），图3中Sn的Sn3d（Sn的3d轨道）结合能为486.6eV和 495.1eV,与Sn4+相对应。结合以上薄膜结构分析,可以确定薄膜的基本组成为SnO2，掺杂后的薄膜组成可表示成Sn1-xSbxO2。但是因为Sb的Sb3d（Sb的3d轨道）结合能和O的O1s（O的1s轨道）的位置非常接近,而O1s更强，所以谱中Sb的Sb3d峰被O的O1s的峰掩盖了。
对上述实施例1所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板在模拟PEMFC工作环境（70℃，0.05M H2SO4+2ppm HF）进行电化学测试，
图4-1、图4-2为实施例1所用的304不锈钢双极板和最终所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板分别在模拟PEMFC阳极工作环境（70℃，通H2，0.05M H2SO4+2ppm HF）、阴极工作环境（70℃，通空气，0.05M H2SO4+2ppm HF）下的Nyquist图（美国EG&G公司的PARC273A恒电位/恒电流仪，采用三电极体系测试）。
从图4-1及图4-2中可以看出，在阳极、阴极工作环境，表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板比空白的304不锈钢双极板都具有更大的阻抗值，说明本发明所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板具有更好的耐蚀性。
图5-1、图5-2为实施例1所用的304不锈钢双极板和最终所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板分别在模拟PEMFC阳极工作环境（70℃，通氢气，0.05M H2SO4+2ppm HF）、阴极工作环境（70℃，通空气，0.05M H2SO4+2ppm HF）下的Tafel曲线（美国EG&G公司的PARC273A恒电位/恒电流仪，采用三电极体系测试）。
从图5-1及图5-2可以看出，在阳极、阴极工作环境，表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板的自腐蚀电位较304不锈钢双极板有明显的正移，正移达分别达446.4mV、476.6mV，同时，形成涂层前后的304不锈钢双极板的自腐蚀电流密度在阳、阴级分别由75.079μA/cm2下降至0.1656μA/cm2，33.22μA/cm2下降至0.1331μA/cm2，下降2～3个数量级，也说明表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板具有更好的耐蚀性。
图6-1、图6-2为实施例1所用的304不锈钢双极板板和最终所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板分别在模拟PEMFC阳极工作环境（70℃，-0.1V,通H2，0.05M H2SO4+2ppm HF）、阴极工作环境（70℃，+0.6V,通空气，0.05M H2SO4+2ppm HF）下的恒电位电流-时间曲线（美国EG&G公司的PARC273A恒电位/恒电流仪，采用三电极体系测试）。
从图6-1及图6-2中可以看出，在PEMFC阳、阴极工作环境，表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板比304不锈钢双极板在最终稳定时，都具有更小的电流，与304不锈钢双极板相比，恒定电流值下降2～3个数量级，也说明表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板具有更好的耐蚀性。这与阻抗测试、Tafel极化测试结果都一致。
图7显示了实施例1所用的304不锈钢双极板和最终所得的表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板的接触电阻与压强变化关系。测试系统原理图如图8所示，测试时，样品两侧与碳纸接触以模拟极板与扩散层接触的状态，紧压碳纸的是经过镀金的铜块，以便于压紧不锈钢，使碳纸与不锈钢紧密接触，模拟燃料电池内部结构，在两端镀金铜块间外接一个微欧表，以显示测量值。通过微欧表直接读取测试区域电阻(R)（铜板、碳纸、试样体电阻以及它们之间的接触电阻）的变化。
从图7中可以看出，接触电阻值随压强增加而减小，但是当压强达到一定值时，接触电阻的减幅变缓，当压强达到1.5MPa时，接触电阻值几乎保持恒定。目前，PEMFC电堆的组装力通常在1.5 MPa左右，从图中曲线1.5MPa时的接触电阻值可以看出：304不锈钢双极板由于其表面存在厚的钝化膜，接触电阻约为733mΩ·cm2；表面具有SnO2涂层后的304不锈钢双极板，其接触电阻为217mΩ·cm2；表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层后的304不锈钢双极板，其接触电阻为34.5mΩ·cm2，在3.0MPa压力下，最小可达14.9mΩ·cm2。这表明在SnO2中掺杂Sb可进一步降低其与扩散层间的接触电阻，基本达到商业化标准。
以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所做的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板，所述的Sb掺杂SnO2薄膜涂层厚度为10~20nm，所述的Sb掺杂SnO2薄膜涂层中Sb和Sn按摩尔百分比计算，即Sb: Sn为1.65~6.6%: 98.35~93.4%。
2.如权利要求1所述的一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板的制备方法，其特征首先配制SbCl3的乙醇溶液，称为A溶液，再配制SnCl2·2H2O的乙醇溶液，称为B溶液,最后缓慢向B溶液中逐滴滴加A溶液，得到Sb掺杂SnO2溶胶液；然后通过结合溶胶浸渍-提拉法和醇热法在304不锈钢双极板的表面制备一层兼具耐蚀性和导电性的Sb掺杂SnO2薄膜涂层，最终得到一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板。
3.如权利要求2所述的一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板的制备方法，其特征在于具体包括如下制备步骤：
（1）、将无水乙醇，SbCl3加入磨口锥形瓶中，用恒温磁力搅拌器，升温至50℃，磁力搅拌，控制搅拌速率600r/min，形成A溶液；
再将无水乙醇，包裹剂聚乙二醇2000，SnCl2·2H2O先后加入另一磨口锥形瓶中，用恒温磁力搅拌器，升温至50℃，磁力搅拌，控制搅拌速率600r/min，形成B溶液；
最后缓慢向B溶液逐滴滴加A溶液，滴加过程控制温度50℃下，滴加完后进行磁力搅拌，搅拌过程控制转速为600r/min，时间为2h后，再进行陈化24h，得到无色透明的Sb掺杂SnO2溶胶液；
上述所用的SbCl3、SnCl2·2H2O、聚乙二醇2000和无水乙醇的量按质量体积比计算，即SbCl3: SnCl2·2H2O: 聚乙二醇2000: 无水乙醇为0.057~0.228g: 3.2g: 0.23g: 50ml；
（2）、基体材料的预处理
基体材料为304不锈钢双极板，先用金相砂纸W20、W10及W5逐级打磨，对打磨好的基体304不锈钢双极板再用无水乙醇脱脂后用超声清洗5min，之后再用去离子水清洗，最后用空气吹干待用；
（3）、将步骤（1）所得的Sb掺杂SnO2溶胶液放入烧杯中，再将步骤（2）预处理后的304不锈钢双极板材料浸入烧杯的Sb掺杂SnO2溶胶液中进行浸渍-提拉成膜，在提拉中保持匀速，提拉完成待膜自然干后放入100℃烘箱中烘干30min，在304不锈钢双极板表面形成一层均匀的薄膜涂层，如果需要更厚的薄膜，重复以上步骤至所需的厚度；
（4）、将步骤（3）制得的表面具有薄膜涂层的304不锈钢双极板放入外壳为不锈钢，内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，并向反应釜中加入步骤（1）所得的B溶液至反应釜体积的70%，密封后控制180℃反应温度下反应3h，反应完后自然冷却，并用去离子水清洗其表面，再用空气吹干后放入100℃烘箱中30min，即可得到表面具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板。
4.如权利要求3所述的一种Sb掺杂SnO2膜改性PEMFC用304不锈钢双极板的制备方法，其特征在于步骤（1）中：其中SbCl3: SnCl2·2H2O: 聚乙二醇2000:无水乙醇的质量体积比，即SbCl3: SnCl2·2H2O: 聚乙二醇2000: 无水乙醇优选为0.228g: 3.2g: 0.23g: 50ml。
5.如权利要求4所述的一种Sb掺杂SnO2膜改性PEMFC用304不锈钢双极板的制备方法，其特征在于步骤（2）中所述的基体材料304不锈钢双极板的大小为10mm×35mm×2mm。
6.如权利要求5所述的一种Sb掺杂SnO2膜改性PEMFC用304不锈钢双极板的制备方法，其特征在于步骤（3）中所述的浸渍-提拉过程中，304不锈钢双极板在溶胶液中浸渍时间为20s，提拉速度为2mm/s，提拉次数为2次。
CN2012100373506A 2012-02-20 2012-02-20 一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板及其制备方法和应用 Pending CN102593479A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012100373506A CN102593479A (zh) 2012-02-20 2012-02-20 一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012100373506A CN102593479A (zh) 2012-02-20 2012-02-20 一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板及其制备方法和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102593479A true CN102593479A (zh) 2012-07-18

Family

ID=46481838

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2012100373506A Pending CN102593479A (zh) 2012-02-20 2012-02-20 一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102593479A (zh)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105839081A (zh) * 2016-04-07 2016-08-10 广东工业大学 一种辐射散热膜的制备方法
CN105895935A (zh) * 2015-02-11 2016-08-24 福特全球技术公司 用于pemfc的耐腐蚀金属双极板的多层涂层
JP2018195515A (ja) * 2017-05-19 2018-12-06 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ
JP2019114384A (ja) * 2017-12-22 2019-07-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ及び燃料電池
CN110048138A (zh) * 2018-01-16 2019-07-23 丰田自动车株式会社 燃料电池用隔离件
CN110391434A (zh) * 2018-04-23 2019-10-29 丰田自动车株式会社 燃料电池隔离件
JP2019200850A (ja) * 2018-05-14 2019-11-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セパレータの表面処理方法及び表面処理装置
CN110661012A (zh) * 2018-06-28 2020-01-07 丰田自动车株式会社 燃料电池用隔离件及燃料电池
US11127957B2 (en) * 2018-04-23 2021-09-21 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell separator

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003092139A2 (en) * 2002-04-26 2003-11-06 President And Fellows Of Harvard College Durable bipolar plates for fuel cells
CN102251237A (zh) * 2011-07-22 2011-11-23 上海电力学院 一种SnO2膜改性PEMFC用304不锈钢双极板及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003092139A2 (en) * 2002-04-26 2003-11-06 President And Fellows Of Harvard College Durable bipolar plates for fuel cells
CN102251237A (zh) * 2011-07-22 2011-11-23 上海电力学院 一种SnO2膜改性PEMFC用304不锈钢双极板及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《陶瓷学报》 20061231 于长凤等 掺杂Sb对SnO2透明导电膜导电性的影响分析 第363-369页 第27卷, 第4期 *
于长凤等: "掺杂Sb对SnO2透明导电膜导电性的影响分析", 《陶瓷学报》, vol. 27, no. 4, 31 December 2006 (2006-12-31), pages 363 - 369 *

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105895935A (zh) * 2015-02-11 2016-08-24 福特全球技术公司 用于pemfc的耐腐蚀金属双极板的多层涂层
CN105839081B (zh) * 2016-04-07 2019-06-04 广东工业大学 一种辐射散热膜的制备方法
CN105839081A (zh) * 2016-04-07 2016-08-10 广东工业大学 一种辐射散热膜的制备方法
CN108963296B (zh) * 2017-05-19 2021-06-18 丰田自动车株式会社 燃料电池用隔板
JP2018195515A (ja) * 2017-05-19 2018-12-06 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ
CN108963296A (zh) * 2017-05-19 2018-12-07 丰田自动车株式会社 燃料电池用隔板
US10903506B2 (en) 2017-05-19 2021-01-26 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Separator for fuel cell
JP2019114384A (ja) * 2017-12-22 2019-07-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ及び燃料電池
CN110048138A (zh) * 2018-01-16 2019-07-23 丰田自动车株式会社 燃料电池用隔离件
JP2019125483A (ja) * 2018-01-16 2019-07-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ
CN110048138B (zh) * 2018-01-16 2022-04-26 丰田自动车株式会社 燃料电池用隔离件
US11223052B2 (en) 2018-01-16 2022-01-11 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel-cell separator
US11127957B2 (en) * 2018-04-23 2021-09-21 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell separator
CN110391434A (zh) * 2018-04-23 2019-10-29 丰田自动车株式会社 燃料电池隔离件
CN110391434B (zh) * 2018-04-23 2022-05-17 丰田自动车株式会社 燃料电池隔离件
JP2019200850A (ja) * 2018-05-14 2019-11-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セパレータの表面処理方法及び表面処理装置
JP7031486B2 (ja) 2018-05-14 2022-03-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セパレータの表面処理方法及び表面処理装置
CN110661012A (zh) * 2018-06-28 2020-01-07 丰田自动车株式会社 燃料电池用隔离件及燃料电池
CN110661012B (zh) * 2018-06-28 2022-07-15 丰田自动车株式会社 燃料电池用隔离件及燃料电池

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102593479A (zh) 一种具有Sb掺杂SnO2薄膜涂层的304不锈钢双极板及其制备方法和应用
CN110227496A (zh) 一种纳米片组成的微球状Fe掺杂二硫化三镍纳米结构材料、制备方法及应用
CN105552399B (zh) 一种石墨烯掺杂导电聚合物修饰的质子交换膜燃料电池金属双极板及其制备方法
CN102655235B (zh) 一种微生物燃料电池空气阴极及其制备方法
CN106000439B (zh) 一种硫、氮共掺杂三维石墨烯/硫化锰复合材料的制备及其应用于氧的电催化还原
CN106024416A (zh) 氮掺杂棒状的氧化钛/二维层状碳化钛纳米复合电极材料及其制备和应用
CN102916203B (zh) 质子交换膜燃料电池阴极非铂催化剂及其制备方法
CN109295476B (zh) 一种片状Co2P-碳布复合材料的合成方法及其应用
CN104835963B (zh) 一种锂离子电池复合负极材料及其制备方法
CN102321265B (zh) 一种改性细菌纤维素膜制备质子交换膜的方法及其应用
CN110729491B (zh) 一种细化含钴阴极粉体的方法
CN107188230A (zh) 一种二硫化钼‑碳复合花球及其制备方法和应用
CN108565127B (zh) 一种可提高超级电容器比容量的电极材料、制备方法及应用
WO2018095074A9 (zh) 超耐高温性的高导电率的多孔芳香骨架化合物其制备方法及其于质子交换膜燃料电池的应用
CN107268326A (zh) 碳纤维纸负载大长径比锌钴硫纳米线复合材料及其制备方法和电极应用
CN107863539A (zh) 一种生物质碱性燃料电池阳极的制备方法
Zhang et al. Modification and durability of carbon paper gas diffusion layer in proton exchange membrane fuel cell
CN111584882B (zh) 一种新型结构的固体氧化物燃料电池及其制备方法
CN109818021A (zh) 一种基于氧化铈/四氧化三铁复合材料的低温固体氧化物燃料电池
CN106531966B (zh) 纳米Cu@CuO材料制备方法及其在锂离子电池中应用
CN108831751A (zh) 一种以FeCo2O4为基底的微纳米复合材料及其制备方法和应用
CN106025315A (zh) 一种改性lscm电极及其制备方法
CN110649300A (zh) 碱土金属掺杂质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质
CN105734534A (zh) 一种SOFCs金属连接体用涂层合金的制备方法
CN108365244A (zh) 一种掺杂钇的质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C12 Rejection of a patent application after its publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20120718