CN107146898A - 一种质子交换模燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种质子交换模燃料电池双金属极板湿磨温压烧结方法。本发明将420与316L的混合不锈钢粉末和316L不锈钢粉末分别在球磨机中进行湿磨，并对湿磨后的粉料进行恒温干燥；分别对干燥粉料添加铜基合金进行混合均匀并过筛，制得坯料原料；将图中所示的1、3、4预热到120℃，在工作表面涂上润滑剂，依次加入两种原料，压制双极板毛坯件；将毛坯件放入铁舟，在碳化硅棒炉氢气氛围中烧至780℃保温1h；将保温后的毛坯放入模具复压；复压后转入石墨舟皿，放入带速80mm/min的网带炉，并在分解氨气氛中烧结至1130℃；冷却至780℃时进行二次复压，复压完成后放回网带炉随炉冷却。该方法加工的金属双极板有很好的致密性，耐腐蚀性强，且加工精度高，适宜批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域的制造方法，具体的是一种质子交换模燃料电池金属双极板压模烧结制备方法。
背景技术
质子交换模燃料电池(PEMFC)是一种能够将氢气与氧气在催化剂的作用下发生电化学反应，不经燃烧，直接将化学能转化成电能的装置。PEMFC具有能量转化率高、功率密度高、环境友好、低温启动、噪音低、体积小等优势。PEMFC主要由三部分构成，即膜电极(MEA)、双极板和电池管理系统。双极板作为PEMFC的关键组成部分，在电池运作过程中起到气体分配、排出反应产物、收集电流和电池热管理的作用，因此双极板质量的好坏将直接决定燃料电池堆输出功率的大小和使用寿命的长短。
目前PEMFC双极板材料的研究主要集中在石墨、金属以及复合材料。通常使用的双极板为机械加工的石墨双极板，技术比较成熟，但是由于石墨板脆性较大，机械加工性能差，以目前的机械加工方式无法实现大批量生产，很难大幅度降低加工成本；同时石墨板不适合在车载工况等恶劣的环境下使用，在很大程度上限制了其使用范围。
与石墨板相比较，金属板则具有良好的导电性、导热性以及好的力学强度和机械加工性。目前对金属双极板材料的研究主要集中在不锈钢材料上。不锈钢具有高导热、导电性，可通过冲压、蚀刻或电解来加工气体流场和冷却水流场，并可加工成薄板，减少电池体积，由此可改善电池的热管理，降低燃料电池堆成本，是一种极具前途的燃料电池双极板基材。但不锈钢材料自身电阻较高，且在燃料电池的高温及PH约2～3的酸性环境下易发生溶解和腐蚀，在金属离子渗透入质子交换膜时会降低膜内离子导电率降低以及腐蚀层会增加燃料电池内阻，直接影响电池的输出性能和使用寿命。为此人们已采取PVD或VCD法在金属表面进行沉积涂层或对不锈钢双极板表面改性处理，以克服上述不足。
随着金属板研究的兴起，对双极板的研究很多，主要集中在金属双极板的加工和金属双极板表面的改性上。对于金属双极板的成型工艺研究，经对现有的文献检索发现，上海交通大学提出并开发了一种基于辊压成型的质子交换模燃料电池金属双极板制造方法，在同一个加工的工艺流程中，能实现单极板流道辊压成形、冲孔等多种连续工位的制造工艺，具有很高的生产效率。但是在滚压过程中，由于金属板与辊子的接触由面接触变成线接触，接触面积急剧减小，容易产生局部压力不均匀，而且在辊子上凸出的流道表痕，在多次挤压之后容易发生轻微位移或变位，从而导致加工精度降低。中国科学院大连物理化学研究所提出的利用油压冲床进行金属双极板的冲压加工，武汉理工大学也提出的利用软膜冲压技术进行金属双极板的冲压生产，由此可见冲压加工能够有效加工出满足燃料电池双极板设计要求的流场流道，且易于生产加工，但是由于双极板的流场通道的尺寸特征极为精密，其设计尺寸小到毫米级别，微小尺度的加工特点与普通冲压极为不同，在制造过程中会表现出极强的尺寸效应。由于在多工位加工过程中，模具的重新定位易产生误差，因此，此类方法一定程度上限制了冲压工艺的发展。
上述提到的金属双极板加工方法易出现加工精度缺陷，辊压接触和多工位模具重新定位时，在金属双极板批量加工生产时尺寸误差出现几率较大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种质子交换模燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，该制备方法能够批量、高效、低成本的制备不锈钢双极板，易于实现金属双极板的批量生产。
为了实现上述目的，本发明主要通过一下技术方案得以解决：
一种质子交换模燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，包括步骤：
(1)将420不锈钢粉末与316L不锈钢粉末按百分比为(72～68)：(28～32)的比例混合后，加入研磨剂，在球磨机中进行湿磨研磨，研磨时间14～24小时，然后将研磨后的混合料保温在90℃环境中，干燥3～4小时；
(2)将316L不锈钢粉放入球磨机，加入研磨剂进行湿磨研磨，研磨时间10～20小时，然后将研磨后的316L不锈钢湿粉干燥3～4小时，并保温在90℃；
(3)将步骤(1)中干燥后的金属粉料加入添加剂，然后放入搅拌器中将(1)中的金属粉料与添加剂混合均匀，并对混合均匀的金属粉料过筛，得到压制金属双极板毛坯的原材料；
(4)将步骤(2)中干燥后的金属粉料添加添加剂，然后放入搅拌器中将(2)中的金属粉料与添加剂混合均匀，并对混合均匀的金属粉料过筛，得到压制金属双极板毛坯的原材料；
(5)先将步骤(3)获得的毛坯原材料按单个双极板材料质量百分比例的30％～40％加入到模具中，再在模具中加入质量百分比例为60％～70％步骤(4)获得的毛坯原材料,在压力机下压制粉料，制得双极板毛坯，利用工具将模具中的金属双极板毛坯放入铁舟，并将铁舟连同金属双极板毛坯一起放入碳化硅棒炉中进行预烧；
(6)预烧结束之后，将步骤(5)中的金属双极板毛坯转入石墨舟皿中，然后将石墨舟皿连同双极板坯料一起放入网带炉中进行程序性升温烧结，升高到指定温度后随炉冷却到特定温度；
(7)将(6)中冷却后的双极板坯料再转移至模具中进行复压，然后再回炉保温，并随炉冷却，最后对烧结冷却后的双极板进行一些表面抛光处理得到成品。
所述一种质子交换膜燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，所述步骤(1)、(2)中的研磨剂为无水乙醇，且研磨剂的添加量为200～300ml/Kg。
所述一种质子交换膜燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，步骤(3)、(4)中的添加剂为2％～8％(质量分数)铜基合金。
所述一种质子交换膜燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，步骤(3)、(4)中的采用80目的筛网进行过筛。
所述一种质子交换膜燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，步骤(5)中的模具预热温度为120℃。
所述一种质子交换膜燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，步骤(5)中的压力机为液压机，压力机吨位为200KN～500KN。
所述一种质子交换膜燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，步骤(5)中预烧温度为780℃，升温速度为3℃/min,保护气氛围氢气。
所述一种质子交换膜燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，步骤(6)中烧结温度为1130℃，保护气氛为分解氨，带速为80mm/min。
所述一种质子交换膜燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，步骤(7)中双极板的复压温度为180～200℃。
附图说明
图1为质子交换膜燃料电池双极板制件图
[图2为质子交换膜燃料电池双极板压制成型示意图
具体实施方式
为了说明本发明制备方法的具体实现过程，在下述实施中以配比为72:28的420和316L不锈钢混合粉料，与316L不锈钢粉末共同压制为例具体解释操作过程及所涉及的附图。如下实施过程所提供的双极板流场类型及材料配比实仅为示意性的，并不对本发明构成特别的限定。
原料选用420不锈钢粉末和316L不锈钢粉末。先将420不锈钢粉末与316L不锈钢粉末按百分比例为78:28的配比放入球磨机中，再加入一定量的200ml/Kg无水乙醇进行湿磨，研磨时间为16小时，然后将研磨后的混合料保温在90℃并干燥3小时；在另外一台研磨机中将316L不锈钢粉末加入球磨机，再加入一定量的200ml/Kg无水乙醇进行湿磨，研磨时间15小时，然后将研磨后的混合料干燥3小时，并保温在90℃；将干燥完成后的两种坯料粉末分别添加4％(质量分数)铜基合，进行充分的混合，并过80目筛，得到金属板毛坯件制作的原材料。
本例以图1所示的双极板为模型；将图2所示的1(上模座)、3(模具边框)、4(下模座)进行预热，加热到120℃，然后在其工作的表面涂上润滑剂，将过筛后的420和316L混合粉料按单个双极板材料质量百分比例的40％加入到模具中，再加入质量百分比例为60％的316L过筛不锈钢粉末，然后将合模后的模具放在压力机上快速压制，并保压一段时间；将压制后的毛坯用电磁铁吸出放在铁舟之中，并将毛坯件连同铁舟一起放入碳化硅棒炉中进行预烧，预烧温度为780℃，升温速度为3℃/min,保护气氛为氢气；烧到780℃时保温1小时，然后将毛坯用电磁铁吸附放入模具之中，进行复压；复压之后将毛坯用电磁铁吸附放入石墨舟皿中，然后将石墨舟皿连同双极板坯料一并放入网带炉中进行程序性升温烧结，在网带炉中最终的烧结温度为1130℃，保护气氛为分解氨，带速为80mm/min；冷却至780℃时进行再次复压，以减少烧结过程中的气孔产生，复压之后放入网带炉之中，随炉冷却；最终烧结的双极板420不锈钢粉末与316L不锈钢粉末混合的那一面硬度约为33HRC，密度可达到7.02g/cm3，且具有较好的耐腐蚀性，316L的不锈钢双极板面硬度约为76HRB，密度为6.86g/cm3。由此法加工的金属双极板有很好的致密性，且具有很强耐腐蚀性，且加工精度高，适宜批量生产。
本发明的应用不限于上述的举例，对本领域技术人员来说，可根据上述说明进行改进，所有这些改进都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种质子交换模燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，包括步骤：
(1)将420不锈钢粉末与316L不锈钢粉末按百分比为(72～68)：(28～32)的比例混合后，加入研磨剂，在球磨机中进行湿磨研磨，研磨时间14～24小时，然后将研磨后的混合料保温在90℃环境中，干燥3～4小时；
(2)将316L不锈钢粉放入球磨机，加入研磨剂进行湿磨研磨，研磨时间10～20小时，然后将研磨后的316L不锈钢湿粉干燥3～4小时，并保温在90℃；
(3)将步骤(1)中干燥后的金属粉料加入添加剂，然后放入搅拌器中将(1)中的金属粉料与添加剂混合均匀，并对混合均匀的金属粉料过筛，得到压制金属双极板毛坯的原材料；
(4)将步骤(2)中干燥后的金属粉料添加添加剂，然后放入搅拌器中将(2)中的金属粉料与添加剂混合均匀，并对混合均匀的金属粉料过筛，得到压制金属双极板毛坯的原材料；
(5)先将步骤(3)获得的毛坯原材料按单个双极板材料质量百分比例的30％～40％加入到模具中，再在模具中加入质量百分比例为60％～70％步骤(4)获得的毛坯原材料,在压力机下压制粉料，制得双极板毛坯，利用工具将模具中的金属双极板毛坯放入铁舟，并将铁舟连同金属双极板毛坯一起放入碳化硅棒炉中进行预烧；
(6)预烧结束之后，将步骤(5)中的金属双极板毛坯转入石墨舟皿中，然后将石墨舟皿连同双极板坯料一起放入网带炉中进行程序性升温烧结，升高到指定温度后随炉冷却到特定温度；
(7)将(6)中冷却后的双极板坯料再转移至模具中进行复压，然后再回炉保温，并随炉冷却，最后对烧结冷却后的双极板进行一些表面抛光处理得到成品。
2.根据权利1所述的一种质子交换模燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其研磨剂为无水乙醇，且研磨剂的添加量为200～300ml/Kg。
3.根据权利1所述的一种质子交换模燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其添加剂为铜基合金，添加量为2％～8％(质量分数)。
4.根据权利1所述的一种质子交换模燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，筛网尺寸为80目的筛网。
5.根据权利1所述的一种质子交换模燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，模具温度预热温度为120℃，原料预热温度90℃。
6.根据权利1所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，双极板预烧温度为780℃，升温速度为3℃/min,保护气氛围氢气。
7.根据权利1所述的一种质子交换模燃料电池金属双极板湿磨温压烧结方法，其中，双极板坯件在网带炉中烧结温度为1130℃，保护气氛为分解氨，带速为80mm/min。
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