CN109742419A - 一种耐腐蚀燃料电池的隔板的制备方法 - Google Patents

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汪宏斌
朱一方
刘立起
秦子威
陈卓
周科
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Abstract

本发明涉及一种耐腐蚀燃料电池的隔板的制备方法，其特征在于，其具体步骤为：对隔板清洗；配置1‑5mol/L的过硫酸铵溶液；然后进行升温阶段，退火阶段，石墨烯生长阶段，降温阶段，当温度降低至室温条件，停止通入氢气与碳源气体，通入氩气，流量为500sccm，并关闭真空泵，持续10‑20min，至反应炉腔体压力达到常压，得到耐腐蚀燃料电池的隔板。本发明的隔板具有耐腐蚀功能。

Description

一种耐腐蚀燃料电池的隔板的制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池生产技术领域，具体的说，是一种耐腐蚀燃料电池的隔板的制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的清洁能源转换装置，其中集流体和隔板是氢氧燃料电池的重要组成部分。集流体与隔板通常在阴极与阳极的外侧，可以起到支撑催化层和集流的作用。集流体与隔板通常都是采用石墨、金属加工而成，其中石墨电极石墨隔板的抗腐蚀性能较好，但是其机械加工性能比较差，且抗震性不好，因此隔板较少采用石墨加工。采用金属集流体隔板可以充分利用金属优良的机械加工性能，但是由于有电解质溶液的存在，金属集流体与隔板很容易发生腐蚀，产生金属离子或者金属氧化物，一方面会导致极板与电极界面接触电阻升高，电池输出性能降低，另一方面，还会污染催化剂层与质子交换膜，造成电池的性能降低。
为了提高金属集流体与隔板的耐腐蚀性能，很多科学家做过很多研究，例如中国专利公开号105609799A采用氧化铱、氧化钯、氧化铑等贵金属进行集流体的表面处理，结果可以抑制金属集流体与隔板的腐蚀。在金属集流体镀贵金属，可以提高极板的耐腐蚀性能，但是同样也可能会提高电池的制造成本。还有中国专利申请号201010116762.X在电极表面形成氧化锡-铜镀层来提高极板耐蚀性。
以上这些现有技术所涉及到氧化物稳定区域有限，电池的使用会受到限制，并且氧化物的导电性不好，同样会造成集流体与催化层之间的接触电阻升高。除了贵金属与金属氧化物镀层之外，在极板表面形成碳材料涂层也可以达到良好的效果，碳材料不但可以耐腐蚀，也拥有良好的导电性，是一种有效的提高电极板耐腐蚀性能的措施。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种耐腐蚀燃料电池的隔板的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种耐腐蚀燃料电池的隔板的制备方法，其特征在于，其具体步骤为：
步骤一、对隔板并且依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗15-20min，去除表面因加工遗留下的油渍；
隔板选用铜基合金，镍基合金，不锈钢中的一种。
步骤二、配置1-5mol/L的过硫酸铵溶液，将步骤一清洗后的隔板在溶液中超声清洗5-20min，取出隔板用去离子水冲洗干净，并在氮气气氛下进行烘干处理；
步骤三、在化学气相沉积的反应炉中通入氩气，氩气流量为500sccm，持续10min，并将步骤二烘干的隔板转移到反应炉中，打开真空泵，进行抽真空，待真空度降低至1.0Pa以下时，进行下一步操作，期间真空泵一直保持开启状态；此技术步骤的技术优点在于可以将反应炉中的空气完全清除干净，避免反应炉中掺入少量氧气，导致隔板表面被氧化，从而影响后续石墨烯膜的生长。
步骤四、用氢气替代反应炉中的氩气，氢气流量为10-50sccm，持续30分钟，设置反应炉温度800-1200℃，加热速度为10℃/min，此为升温阶段，对应图4阶段1。此技术步骤的技术优点在于可以使反应炉迅速升温到反应所需温度，并且达到反应所需的完全氢气气氛。
步骤五、将隔板在800-1000℃条件下，保持30-60min，氢气流量保持10-50sccm，此阶段为退火阶段，对应图4中阶段2。此技术步骤的技术优点在于可以进一步清洁隔板的表面，基本上可以达到隔板表面的完全干净无氧化，暴露新鲜的金属表面。
步骤六、保持氢气的流量为10sccm-50sccm，通入碳源气体或液体(甲烷、乙烷、笨等有机烃类)，流量控制在10-50sccm，温度保持在800-1000℃，持续30-90min，此阶段为石墨烯生长阶段，对应图4中阶段3。此技术步骤的技术优点在于在适当的温度条件下，碳源气体或者液体首先裂解生成碳原子，碳原子溶解到隔板金属基体的表层，为下一步的析出做好准备，另一方面，通过控制此步骤的时长，可以控制碳原子的溶解浓度，从而控制析出的石墨烯膜层的厚度。
步骤七、生长阶段结束后，将反应炉迅速降温到室温，降温速度约为20-30℃/min，期间保持氢气流量10-50sccm，碳源气体流量10-50sccm，此阶段为降温阶段，对应图4中阶段4.此技术步骤的技术优点在于迅速的降温可以导致溶解到隔板基体表层的碳原子迅速析出，成孤岛式生长，最后连接成大面积的石墨烯片层。
步骤八、当温度降低至室温条件，停止通入氢气与碳源气体，通入氩气，流量为500sccm，并关闭真空泵，持续10-20min，至反应炉腔体压力达到常压，得到耐腐蚀燃料电池的隔板。此技术步骤的技术优点在于可以促使隔板表层石墨烯层稳定，等到石墨烯层稳定后再将其取出。
取出耐腐蚀燃料电池的隔板按照图1进行组装。首先将1an阳极隔片与1anc阳极催化层气体扩散电极采用高温胶进行链接构成阳极组件，再将1ca阴极隔片与1anc阴极催化层气体扩散电极采用同样的高温胶进行链接，构成阴极组件，最后将阴极组件，阳极组件与1Na电解质膜按照：阴极组件-电解质膜-阳极组件的顺序采用导电胶进行胶链，1angc为阳极气体通道，1cagc为阴极气体通道，组成图1所示的燃料电池。
图1为描述根据本发明一个实施方案的燃料电池单电池的示意性结构的解释性视图。单电池通过氢气(1angc阳极气体通道)与空气(1cagc阴极气体通道)中所含的氧气之间发生电化学反应而产生电流。单电池主要包含发电体、将发电体包裹的一对隔片(阳极侧隔片，阴极侧隔片)。
发电体包含催化剂电极层(1anc阳极催化层，1cac阴极催化层)在电解质膜(1Na)的两个表面形成的膜电极组件，膜电极组件两侧的气体扩散层(1anc阳极气体扩散层，1cac阴极气体扩散层)。电解质膜为聚合物质子交换膜，在本实施方案中采用Nafion膜。催化剂层置于电解质膜两侧，主要成分为贵金属Pt、Pd等催化剂，可以促进电化学反应进行。气体扩散层用于反应气体在电解质膜表面方向扩散。本实施方案中采用碳布作为气体扩散层。隔片(1an阳极隔片，1ca阴极隔片)由具有气体屏蔽性能和电子传导性元素组成。
通过以上工艺所制造的隔板结构示意图如图3，可以通过工艺参数的调整，控制石墨烯涂层当中的石墨烯层数，可以精确控制层数为1-5层。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
在适当的温度条件下，碳源气体或者液体首先裂解生成碳原子，碳原子溶解到隔板金属基体的表层，为下一步的析出做好准备，另一方面，通过控制此步骤的时长，可以控制碳原子的溶解浓度，从而控制析出的石墨烯膜层的厚度。
附图说明
图1燃料电池结构示意图；
图2石墨烯涂层所用到的设备示意图；
图3石墨烯涂层的隔板示意图；
图4制备石墨烯涂层四个阶段的示意图。
具体实施方式
以下提供本发明一种耐腐蚀燃料电池的隔板的制备方法的具体实施方式。
实施例1
步骤一、选用铜基合金为隔板，并且依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗15min，去除表面因加工遗留下的油渍。
步骤二、配置1mol/L的过硫酸铵溶液，将隔板在溶液中超声清洗20min，取出隔板用去离子水冲洗干净，并在氮气气氛下进行烘干处理。
步骤三、在化学气相沉积的反应炉中通入氩气，氩气流量为500sccm，持续10min，并将烘干的隔板转移到反应炉中，打开真空泵，进行抽真空，待真空度降低至1.0Pa以下时，进行下一步操作，期间真空泵一直保持开启状态。
步骤四、用氢气替代反应炉中的氩气，氢气流量为10sccm，持续30分钟，设置反应炉温度1000℃，加热速度为10℃/min，此为升温阶段，对应图4阶段1。
步骤五、将隔板在1000℃条件下，保持30min，氢气流量保持10sccm，此阶段为退火阶段，对应图4中阶段2。
步骤六、保持氢气的流量为10sccm，通入碳源气体或液体(甲烷、乙烷、笨等有机烃类)，流量控制在10sccm，温度保持在1000度，持续40min，此阶段为石墨烯生长阶段，对应图4中阶段3。
步骤七、生长阶段结束后，将反应炉迅速降温到室温，降温速度约为30℃/min，期间保持氢气流量10sccm，碳源气体流量10sccm，此阶段为降温阶段，对应图4中阶段4。
步骤八、当温度降低至室温条件，停止通入氢气与碳源气体，通入氩气，流量为500sccm，并关闭真空泵，持续20min，得到具有单层石墨烯涂层的隔片。
取出耐腐蚀燃料电池的隔板按照图1进行组装。首先将1an阳极隔片与1anc阳极催化层气体扩散电极采用高温胶进行链接构成阳极组件，再将1ca阴极隔片与1anc阴极催化层气体扩散电极采用同样的高温胶进行链接，构成阴极组件，最后将阴极组件，阳极组件与1Na电解质膜按照：阴极组件-电解质膜-阳极组件的顺序采用导电胶进行胶链，1angc为阳极气体通道，1cagc为阴极气体通道，组成图1所示的燃料电池。
图1为描述根据本发明一个实施方案的燃料电池单电池的示意性结构的解释性视图。单电池通过氢气(1angc阳极气体通道)与空气(1cagc阴极气体通道)中所含的氧气之间发生电化学反应而产生电流。单电池主要包含发电体、将发电体包裹的一对隔片(阳极侧隔片，阴极侧隔片)。
发电体包含催化剂电极层(1anc阳极催化层，1cac阴极催化层)在电解质膜(1Na)的两个表面形成的膜电极组件，膜电极组件两侧的气体扩散层(1anc阳极气体扩散层，1cac阴极气体扩散层)。电解质膜为聚合物质子交换膜，在本实施方案中采用Nafion膜。催化剂层置于电解质膜两侧，主要成分为贵金属Pt、Pd等催化剂，可以促进电化学反应进行。气体扩散层用于反应气体在电解质膜表面方向扩散。本实施方案中采用碳布作为气体扩散层。隔片(1an阳极隔片，1ca阴极隔片)由具有气体屏蔽性能和电子传导性元素组成。
通过以上工艺所制造的隔板30结构示意图如图3，可以通过工艺参数的调整，控制石墨烯涂层31当中的石墨烯层数，可以精确控制层数为1-5层。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种耐腐蚀燃料电池的隔板的制备方法，其特征在于，其具体步骤为：
步骤一、对隔板并且依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗15-20min，去除表面因加工遗留下的油渍；
步骤二、配置1-5mol/L的过硫酸铵溶液，将步骤一清洗后的隔板在溶液中超声清洗5-20min，取出隔板用去离子水冲洗干净，并在氮气气氛下进行烘干处理；
步骤三、在化学气相沉积的反应炉中通入氩气，氩气流量为500sccm，持续10min，并将步骤二烘干的隔板转移到反应炉中，打开真空泵，进行抽真空，待真空度降低至1.0Pa以下时，进行下一步操作，期间真空泵一直保持开启状态；
步骤四、用氢气替代反应炉中的氩气，氢气流量为10-50sccm，持续30分钟，设置反应炉温度800-1200℃，加热速度为10℃/min，此为升温阶段；
步骤五、将隔板在800-1000℃条件下，保持30-60min，氢气流量保持10-50sccm，此阶段为退火阶段；
步骤六、保持氢气的流量为10sccm-50sccm，通入碳源气体或液体，流量控制在10-50sccm，温度保持在800-1000℃，持续30-90min，此阶段为石墨烯生长阶段；
步骤七、生长阶段结束后，将反应炉迅速降温到室温，降温速度约为20-30℃/min，期间保持氢气流量10-50sccm，碳源气体流量10-50sccm，此阶段为降温阶段；
步骤八、当温度降低至室温条件，停止通入氢气与碳源气体，通入氩气，流量为500sccm，并关闭真空泵，持续10-20min，至反应炉腔体压力达到常压，得到耐腐蚀燃料电池的隔板。
2.如权利要求1所述的一种耐腐蚀燃料电池的隔板的制备方法，其特征在于，隔板选用铜基合金，镍基合金，不锈钢中的一种。
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