CN108539214B - 等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板 - Google Patents

等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板 Download PDF

Info

Publication number
CN108539214B
CN108539214B CN201810366761.7A CN201810366761A CN108539214B CN 108539214 B CN108539214 B CN 108539214B CN 201810366761 A CN201810366761 A CN 201810366761A CN 108539214 B CN108539214 B CN 108539214B
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal matrix
bipolar plate
fuel cell
polymer electrolyte
electrolyte membrane
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.)
Active
Application number
CN201810366761.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108539214A (zh
Inventor
田如锦
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.)
Dalian Jiaotong University
Original Assignee
Dalian Jiaotong University
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 Dalian Jiaotong University filed Critical Dalian Jiaotong University
Priority to CN201810366761.7A priority Critical patent/CN108539214B/zh
Publication of CN108539214A publication Critical patent/CN108539214A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108539214B publication Critical patent/CN108539214B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M2004/8678—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
    • H01M2004/8694—Bipolar electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • 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

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开了一种表面改性的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板，包括金属基体和改性层，所述改性层和金属基体间为冶金结合；所述改性层的制备方法具有工艺成熟、所需设备简单、可连续生产、成本低廉等优点；所述改性层不受基体几何形状限制、不损害强度，生长均匀、结构致密，改性层具有良好的耐腐蚀性、表面导电性和疏水性，能大幅度提高聚合物电解质膜燃料电池的输出功率和耐久性。

Description

等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域。特别涉及聚合物电解质膜燃料电池金属双极板及其表面改性。
背景技术
日益严重的能源危机和环境污染使高效安全的燃料电池受到越来越多的重视。聚合物电解质膜燃料电池具有高效、启动快、无污染、比功率密度高等优点，广泛应用于分布式发电站和车载移动能源等。聚合物电解质膜燃料电池主要由膜电极、双极板、气体扩散层等主要部件组成。其中，占总重量80％的双极板是PEMFC的重要多功能组件之一。双极板具有供气体反应场所、收集电流、支撑膜电极、水管理等作用，这就要求双极板材料应当必须具有良好的表面导电性和耐腐蚀性能、足够的机械强度以及韧性。
石墨和石墨基复合材料因较低的接触电阻和良好的化学稳定性而作为传统的双极板材料，但由于石墨机械强度较差、难于生产和高成本阻碍了其规模化商业应用。金属材料适合冲压成形和降低电池组重量，但在高温、高湿的酸性工作环境中发生腐蚀，同时表面形成的保护性钝化膜会提高双极板与气体扩散层间的接触电阻，从而降低燃料电池的输出功率。因此，常用金属材料很难满足双极板在耐蚀性和导电性方面的需求，物理气相沉积、化学气相沉积、化学镀或电镀等是目前用以解决上述问题的常用表面改性方法。但受到这些方法自身的局限性影响，制备过程中存在孔隙和裂纹等结构缺陷及结合力不足，促使酸性电解质溶液借此直接接触基体材料并导致涂层失效，溶解的金属离子会污染催化剂和降低质子交换膜传导能力，从而严重影响燃料电池的使用寿命。
考虑到现有表面改性方法总是存在或多或少的局限性，还没有任何一种通过表面改性处理的金属双极板能够满足目前聚合物电解质膜燃料电池规模化市场应用的要求。因此，发展成本低廉、高表面导电性和耐蚀性的双极板仍旧是聚合物电解质膜燃料电池的主要研究方向，也必然对其商业化进程产生重要的影响。
发明内容
为了解决现有技术所存在的难题，本发明旨在提供一种低成本的兼具高导电和耐蚀性能的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板及其制备方法。采用等离子热化学处理技术在金属双极板表面制备与基体材料冶金结合的改性层。该方法可以实现改性层大面积均匀生长，改性层表面光滑致密，无明显结构缺陷，具有不受几何形状限制、生产效率高、易于生产加工等特点，特别适合实现金属双极板规模化表面改性的需求。因此，采用等离子热化学处理的金属双极板能够显著提高聚合物电解质膜燃料电池的输出功率和使用寿命。
本发明所提供的聚合物电解质膜燃料电池金属双极由金属基体和改性层组成，所述改性层与金属基体间为冶金结合。本发明中等离子热化学处理的金属双极板腐蚀速度低于 1μA/cm2，接触电阻率低于4mΩ·cm2，接触角大于92°。
为了实现上述目的，本发明提供的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板采用以下技术方案进行制备：
1)金属基体经粗磨、精磨和抛光后，用丙酮超声波清洗30min，干燥待用；
2)当真空度低于5Pa时，通入氩气对放入样品室内的经步骤1)处理的金属基体进行离子轰击以清洁其表面，时间为30min；
3)步骤2)处理的金属基体等离子热化学处理，具体工艺参数如下：Ta电极电压为900～ 950V，金属基体加热温度为850～900℃，处理时间为1.5～2.5h，金属基体电压为300～400V，工作压力为30～35Pa，金属基体与Ta电极间距离为15～20mm；
4)停止供气、关掉电源和真空泵，工件随缓慢冷却至室温，得到等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板；
本发明所述等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板，所述金属基体材料为工业纯钛或钛合金。
本发明所述等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板，所述改性层厚度为5～10μm。
本发明提供的金属双极板优点在于：本发明采用等离子热化学处理对金属双极板进行表面改性，该方法具有工艺成熟、效率高、可批量化生产等特点。改性层能大幅度提高金属双极板的耐蚀性、导电性和疏水性，能够满足燃料电池的使用性能要求和方便水热管理，有潜力代替传统石墨双极板，可以应用于聚合物电解质膜燃料电池领域，对于加快聚合物电解质膜燃料电池大规模市场化应用具有重要的实际意义。
附图说明
图1为本申请提供的等离子热化学处理后双极板改性层表面形貌
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板，按照以下步骤在工业纯钛TA2基体上制备改性层：
1)金属基体经粗磨、精磨和抛光后，用丙酮超声波清洗30min，干燥待用；
2)当真空度低于5Pa时，通入氩气对放入样品室内的经步骤1)处理的金属基体进行离子轰击以清洁其表面，时间为30min；
3)步骤3)处理的等离子热化学处理，具体工艺参数如下：Ta电极电压为900V，金属基体加热温度为850℃，处理时间为1.5h，金属基体电压为350V，工作压力为35Pa，金属基体与Ta电极间距离为15mm；
4)停止供气、关掉电源和真空泵，工件缓慢冷却至室温，得到等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板。
本实施例等离子热化学处理技术制备的双极板，改性层厚度为5μm。本发明中等离子热化学处理的金属双极板腐蚀速度低于0.91μA/cm2,接触电阻率低于4mΩ·cm2,接触角为92.1°。
实施例2
本实施例提供的等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板，按照以下步骤在钛合金TC4(Ti6Al4V)基体上制备改性层：
1)金属基体经粗磨、精磨和抛光后，用丙酮超声波清洗30min，干燥待用。
2)当真空度低于5Pa时，通入氩气对放入样品室内的经步骤1)处理的金属基体进行离子轰击以清洁其表面，时间为30min。
3)步骤3)处理的等离子热化学处理，具体工艺参数如下：Ta电极电压为950V，金属基体加热温度为880℃，处理时间为2h，金属基体电压为300V，工作压力为30Pa，金属基体与Ta电极间距离为20mm。
4)停止供气、关掉电源和真空泵，工件缓慢冷却至室温，得到等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板。
本实施例等离子热化学处理技术制备的双极板，改性层厚度为7μm。本发明中等离子热化学处理双极板腐蚀速度低于0.65μA/cm2，接触电阻率低于3mΩ·cm2，接触角为93°。
实施例3
本实施例提供的等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板，按照以下步骤在工业纯钛TA2基体上制备改性层：
1)金属基体经粗磨、精磨和抛光后，用丙酮超声波清洗30min，干燥待用；
2)当真空度低于5Pa时，通入氩气对放入样品室内的经步骤1)处理的金属基体进行离子轰击以清洁其表面，时间为30min；
3)步骤3)处理的等离子热化学处理，具体工艺参数如下：Ta电极电压为950V，金属基体加热温度为900℃，处理时间为2.5h，金属基体电压为400V，工作压力为30Pa，金属基体与Ta电极间距离为17mm；
4)停止供气、关掉电源和真空泵，工件随缓慢冷却至室温，得到等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板。
本实施例等离子热化学处理技术制备的双极板，改性层厚度为10μm。本发明中等离子热化学处理的金属双极板腐蚀速度低于0.5μA/cm2,接触电阻率低于3mΩ·cm2，接触角为92.3°。

Claims (2)

1.等离子热化学处理制备聚合物电解质膜燃料电池金属双极板的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)金属基体经粗磨、精磨、抛光后，用丙酮超声波清洗30min，干燥待用；
2)当真空度低于5Pa时，通入氩气对放入样品室内的经步骤1)处理的金属基体进行离子轰击以清洁其表面，时间为30min；
3)步骤2)处理后的金属基体等离子热化学处理，具体工艺参数如下：Ta电极电压为900～950V，金属基体加热温度为850～900℃，处理时间为1.5～2.5h，金属基体电压为300～400V，工作压力为30～35Pa，金属基体与Ta电极间距离为15～20mm；
4)停止供气、关掉电源和真空泵，工件缓慢冷却至室温，即得等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板；所述聚合物电解质膜燃料电池金属双极板由金属基体和改性层组成；
所述等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板腐蚀速度低于1μA/cm2，接触电阻低于4mΩ·cm2，接触角大于92°；
所述改性层与金属基体间为冶金结合，改性层厚度为5～10μm。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述金属基体的材料为工业纯钛或钛合金。
CN201810366761.7A 2018-04-23 2018-04-23 等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板 Active CN108539214B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810366761.7A CN108539214B (zh) 2018-04-23 2018-04-23 等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810366761.7A CN108539214B (zh) 2018-04-23 2018-04-23 等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108539214A CN108539214A (zh) 2018-09-14
CN108539214B true CN108539214B (zh) 2021-03-12

Family

ID=63477458

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810366761.7A Active CN108539214B (zh) 2018-04-23 2018-04-23 等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108539214B (zh)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7037617B2 (en) * 2002-08-21 2006-05-02 Delphi Technologies, Inc. Conductive coatings for PEM fuel cell electrodes
CN106887600B (zh) * 2017-01-20 2020-01-24 大连理工大学 一种带有表面钛钽碳薄膜的燃料电池高性能双极板及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108539214A (zh) 2018-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100595951C (zh) 一种燃料电池用双极板及其表面碳铬薄膜制备方法
CN110684946B (zh) 一种金属双极板高导电耐蚀防护涂层及其制备方法与应用
CN101800318B (zh) 一种质子交换膜燃料电池用金属双极板及其制备方法
CN104759272B (zh) 一种膜电极低压电解式臭氧发生器的膜电极及其阳极和阳极的制作方法
CN102130341A (zh) 一种燃料电池双极板及其表面碳钛纳米复合薄膜制备方法
WO2021179724A1 (zh) 一种抗燃料电池中酸性介质腐蚀的石墨烯涂层制备方法
CN113737142A (zh) 一种质子交换膜燃料电池钛双极板复合梯度碳基涂层的制备方法
CN111218656A (zh) 一种高耐腐蚀高电导率的燃料电池金属双极板保护膜及制备方法
CN113555576A (zh) 一种燃料电池金属连接体涂层
CN113921989A (zh) 一种柔性隔膜制备工艺
CN106920977A (zh) ITO/Nb复合改性的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板及其制备方法
CN105304916B (zh) 用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板及其制备方法
CN114156491A (zh) 一种燃料电池极板的制备方法
CN108539214B (zh) 等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板
CN113025980A (zh) 一种燃料电池双极板用耐腐蚀膜层及其制备方法
CN201717318U (zh) 一种质子交换膜燃料电池用金属双极板
CN110323456A (zh) 一种具有低接触电阻双极板的制备方法
CN107425209B (zh) 一种铝制流场板的导电防腐涂层工艺
CN115928017A (zh) 一种高导电耐蚀防护复合涂层及其制备方法与应用
CN115029663A (zh) 金属极板复合涂层、金属极板及其制备方法和燃料电池
CN110875482A (zh) 一种利用石墨为碳源在不锈钢双极板表面制备碳膜的方法
CN112952129B (zh) 一种具有纳米TaNbN改性层的金属双极板及其制备方法
CN112952131B (zh) 一种具有纳米晶AlN改性层的Fe-Mn基合金双极板及其制备方法
CN103361660A (zh) 一种质子交换膜燃料电池不锈钢双极板前处理方法
CN114361608A (zh) 一种连续卷对卷生产锂离子电池集流体的装置及生产方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant