CN103137984A - 一种应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件及其制备方法 - Google Patents
一种应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件及其制备方法，该金属构件包括金属芯片，在所述的金属芯片上设有纳米碳纤维保护层。所述的纳米碳纤维保护层的成分由纳米碳纤维和高分子树脂组成，其中，纳米碳纤维占纳米碳纤维保护层重50~90%。本发明应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件，兼具碳材料和金属材料的双重特性，可实现燃料电池导电体兼顾高电导率、低面接触电阻、高强度、易成型、耐腐蚀、低成本，可大幅度改善燃料电池核心电连接件的成型工艺，使得燃料电池电连接件的选材更为广泛，避免了燃料电池复杂电场、水气环境下电连接件的腐蚀，减小了电连接点的接触电阻，提升了电池的电性能及寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件及其制备方法。
背景技术
燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的一种化学反应装置。由于燃料电池没有热机的卡洛循环过程，其能量转化效率非常高，可以采用氢、醇类、固体金属等作为燃料，燃料来源广泛，应用方便。和热发电或燃油发电机相比，具有较高的环保性、静音性，而且燃料电池系统可以像发电机一样高度集成，应用于移动电源领域，具有广阔的应用前景。
和普通电池一样，燃料电池系统运行过程中，需要将每个单电池负极燃料氧化反应产生的电子通过导电体汇集引出，再通过外电路连接电池正极导电体导入正极氧化剂反应区域，使得电子和氧化剂及从电池负极迁移过来的离子复合还原。多节单电池组成的燃料电池系统，需要将每节电池的正负极导电体相连，以获得较高的电池电压。从导电体工作环境上看，正负极导电体直接沉浸在燃料或氧化剂氛围内，如果采用液体电解质，导电体更是被具有腐蚀性的电解质沉浸，同时电池产生的电场使得导电体处于一种极易构成电化学反应的体系下，所以导电体要求有很高的抗化学腐蚀和电化学腐蚀的特性；从导电体功能上看，导电体汇集负极区域电子，同时向正极区域注入电子，其与正负极反应区域的连接电阻的大小对电池性能至关重要，所以导电体材料要求有高的电导率和低的表面接触电阻；从导电体结构上看，在采用气体或液体作为燃料的电池中导电体既起到导电的作用，又要作为燃料和氧化剂分配场所和隔离器，一般都是在导电体上，制造出可以流动燃料和氧化剂的微型曲折流道实现，所以导电体要有很好的加工成型特性。在燃料电池系统中，单电池往往达到几十节甚至上百节，导电体占据了电池系统重量和体积的很大比例，所以对导电体还提出了轻质化、薄型化的要求。
目前，应用于燃料电池系统的导电体一般是由耐腐蚀金属或碳材料构成。耐腐蚀金属一般都是不锈钢系列或由其改性得到，如316L、901等，机加工特性及成型性好，但其制作的导电体重量重、表面接触电阻大。一般需要采用表面镀层，降低面接触电阻和减弱腐蚀，由于镀层存在大量微孔及不耐腐蚀的中间过渡层，长期工作腐蚀依然严重，并且成本高；碳材料在燃料电池环境中，具有很好的耐腐蚀性和低的面接触电阻，并且质量轻，但碳材料体电导率和金属相比还是低很多，并且碳材料具有硬度高而脆特性，加工困难、成型性差，在外力冲击下易断裂，电池可靠性难以保证。
综合来看，目前应用于各类燃料电池的导电体都很难兼顾高电导率、低面接触电阻、高强度、易成型、耐腐蚀、低成本等特性。因此，还不能完全满足使用需求。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件，使其兼具碳材料和金属材料的双重特性，以期实现燃料电池导电体兼顾高电导率、低面接触电阻、高强度、易成型、耐腐蚀、低成本。本发明的另一目的是提供一种制备上述应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件的方法。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件，包括金属芯片，在所述的金属芯片上设有纳米碳纤维保护层。
所述的纳米碳纤维保护层的成分由纳米碳纤维和高分子树脂组成，其中，纳米碳纤维占纳米碳纤维保护层重50~90%。
所述的高分子树脂为环氧类树脂、PTFE聚四氟乙烯或PVDF聚偏氟乙烯。
所述的金属芯片选自不锈钢芯片、铜芯片、钛合金芯片、铝芯片或镁铝合金芯片。
所述的纳米碳纤维保护层，厚度为0.05mm~2mm。
一种制备应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件的方法：先将纳米碳纤维与高分子树脂高速搅拌制成膏状体，再将金属芯片放入模具，利用螺杆挤出机注入膏状体，注射成型；脱模后，真空烧结成型即可。
一种制备应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件的方法：先将纳米碳纤维、高分子树脂及溶剂配成浆液，接着在金属芯片表面超声喷涂成型，最后再真空烧结，即可。
有益效果：与现有技术相比，本发明应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件，兼具碳材料和金属材料的双重特性，可实现燃料电池导电体兼顾高电导率、低面接触电阻、高强度、易成型、耐腐蚀、低成本，可大幅度改善燃料电池核心电连接件的成型工艺，使得燃料电池电连接件的选材更为广泛，避免了燃料电池复杂电场、水气环境下电连接件的腐蚀，减小了电连接点的接触电阻，提升了电池的电性能及寿命，特别适用于各类需要在电池化学物质反应区内部进行电连接的燃料电池。
附图说明
图1是具有纳米碳纤维保护层的导电体基本结构示意图；
图2是具有纳米碳纤维保护层的导电体异形结构示意图；
图3是具有纳米碳纤维保护层的燃料电池双极板结构图；
图4是具有纳米碳纤维保护层的金属燃料电池阳极电连接器；
图5是应用于金属燃料电池电连接器图；
图6是传统电连接图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明的具有纳米碳纤维保护层的金属构件，是由纳米碳纤维、高分子树脂、金属芯片模具注射成型或纳米碳纤维、高分子树脂及溶剂配成的浆液在金属芯片表面超声喷涂成型，然后高温真空烧结而成，如图1所示，纳米碳纤维保护层2设在金属芯片1外侧。其中金属芯片可以预先加工出所需流道或加工成异型结构，如图2所示，纳米碳纤维保护层2设在异形金属薄片3外侧。金属芯片的材料可以是不锈钢、铜、钛合金、铝或镁铝合金。纳米碳纤维尺度介于50~3000纳米，占保护层重量的50~90%；高分子树脂为环氧类树脂、PTFE聚四氟乙烯或PVDF聚偏氟乙烯，占保护层重量的10~50%。纳米碳纤维保护层的厚度为0.05mm~2mm。
具有纳米碳纤维保护层的金属构件，在成型时，首先，将高分子树脂、纳米碳纤维按比例混合，高速搅拌，制成30~300厘泊粘度的膏状体。对于金属芯片形状较为规则，需要较厚保护层的导电体，一般采用模具注射成型。利用工艺台，将金属芯片在注射模具中定位固定，模具型腔与金属芯片表面保持所需保护层厚度相适应的间距，其大小需按上述混合料的收缩率确定，模具型腔表面需要喷涂脱模剂。在130℃~300℃温度下，利用螺杆挤出机注入上述纳米碳纤维高分子混合物成型。脱模后，将其置于真空烘箱中200℃~400℃烧结成型。对于金属芯片形状较为复杂，需要较薄保护层的导电体，一般采用超声喷涂复合，将高分子树脂、纳米碳纤维、溶剂（例如乙醇、丙酮、乙二醇等）按比例混合，高速搅拌，制成10~100厘泊粘度的浆液，然后利用超声喷涂机，将浆液分若干次喷涂到金属构件表面，每次喷涂完毕，需将其晾干，直至达到所需保护层厚度。最后将喷涂完毕的构件置于真空烘箱中200℃~400℃烧结成型。
实施例1
先采用铝合金加工出具有流道的燃料电池用双极板4，如图3所示。将环氧树脂、纳米碳纤维按重量比3:7混合，高速搅拌，制成150厘泊纳米碳纤维膏状体，将双极板定位固定于注射模具中，模具型腔与金属芯片表面保持1mm间距。在80℃下，利用螺杆挤出机注入上述纳米碳纤维高分子混合物成型。脱模后，将构件置于真空烘箱中200℃烧结成型，即得到具有0.8mm厚纳米碳纤维保护层铝双极板，具有质量轻，高导电、耐腐蚀的特点。
实施例2
采用铜片冲压出如图4所示的金属燃料电池阳极电连接器5。将60%聚四氟乙烯乳液、纳米碳纤维按重量比4:6混合，加入10倍体积（相对于混合物）的乙醇溶剂，高速搅拌，制成纳米碳纤维混合浆料。在80℃下，利用超声喷涂机对电连接器表面喷涂纳米碳纤维混合浆料，每次喷涂完毕，晾干10min，直至保护层厚度接近0.5mm。然后将电连接器置于真空烘箱中340℃烧结成型，即得到具有0.4mm左右厚度纳米碳纤维保护层铜片电连接器7，其即具有金属的弹性又具有碳纤维的耐腐蚀性。
如图5所示，将纳米碳纤维保护层铜片电连接器7直接注塑在金属燃料电池壳体8底部，当作为金属燃料6接触到电连接器就可以将金属燃料电池阴极9的电通过金属燃料电池负极引出线10导出，和传统电连接结构电池相比，具有电池结构简单，金属无需加工成特定形状，导电连接器不需要特殊保护就可以反复使用。而传统电连接如图6所示，如果采用金属直接引出，需要将金属加工侧分支条，浪费金属，加工复杂；如果用引线引出，需要用螺钉连接二者，同时还需在连接点涂抹保护胶11，更换燃料复杂，使用不便，不利于电池的反复应用，也不利于电池的上盖密封结构。
以上所述的实施例只是为更好地解释本发明而给出的优选的具体实施方案，本领域的技术人员在本方案范围内进行的工艺步骤、材料替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件，其特征在于：包括金属芯片，在所述的金属芯片上设有纳米碳纤维保护层。
2.根据权利要求1所述的应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件，其特征在于：所述的纳米碳纤维保护层的成分由纳米碳纤维和高分子树脂组成，其中，纳米碳纤维占纳米碳纤维保护层重50~90%。
3.根据权利要求2所述的应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件，其特征在于：所述的高分子树脂为环氧类树脂、PTFE聚四氟乙烯或PVDF聚偏氟乙烯。
4.根据权利要求1所述的应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件，其特征在于：所述的金属芯片选自不锈钢芯片、铜芯片、钛合金芯片、铝芯片或镁铝合金芯片。
5.根据权利要求1所述的应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件，其特征在于：所述的纳米碳纤维保护层，厚度为0.05mm~2mm。
6.一种制备权利要求1或2所述的应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件的方法，其特征在于：先将纳米碳纤维与高分子树脂高速搅拌制成膏状体，再将金属芯片放入模具，利用螺杆挤出机注入膏状体，注射成型；脱模后，真空烧结成型即可。
7.一种制备权利要求1或2所述的应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件的方法，其特征在于：先将纳米碳纤维、高分子树脂及溶剂配成浆液，接着在金属芯片表面超声喷涂成型，最后再真空烧结，即可。
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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: 20130605 |