CN109860649B - 一种用于燃料电池的含渗碳层的隔板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的含渗碳层的隔板的制备方法，具体步骤为：(1)、不锈钢表面预处理；(2)、配置质量分数5％‑20％的氢氧化钠溶液，将不锈钢隔板放在氢氧化钠溶液中，超声清洗20‑30min，以除掉表面的油污；(3)、配置质量分数为5‑15％的硝酸溶液；(4)、用去离子水清洗干净(5)、配置渗碳剂；(6)、在模具中铺上渗碳剂；(7)、用压膜机在0.5‑1.5MPa的压力下进行压制；(8)、当真空炉中的压力达到0.5Pa以下，进行升温加热处理，(9)、停止加热，使模具随炉温冷却，可以根据所需要渗碳层厚度，多次进行，厚度可以达到1‑2mm；(10)、待模具冷却到室温，将隔板取出后清理多余的渗碳剂，进行电池组装。本发明的渗碳剂达到最好的耐腐蚀效果。

Description

一种用于燃料电池的含渗碳层的隔板的制备方法

技术领域

本发明涉及燃料电池生产技术领域，具体的说，是一种用于燃料电池的含渗碳层的隔板的制备方法。

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CN105609799A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，但是同样也会提高电池的制造成本。还有专利CN201010116762.X在电极表面形成氧化锡-铜镀层来提高极板耐蚀性。但是氧化物稳定有限，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，提供一种用于燃料电池的含渗碳层的隔板的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种用于燃料电池的含渗碳层的隔板的制备方法，其具体步骤为：

(1)、不锈钢表面预处理，包括采用不同目数的砂纸进行打磨，将试样打磨至光滑，然后用抛光机进行抛光；

砂纸的目数为300目，500目以及800目；

(2)、配置质量分数5％-20％的氢氧化钠溶液，将不锈钢隔板放在氢氧化钠溶液中，超声清洗20-30min，以除掉表面的油污；

(3)、配置质量分数为5-15％的硝酸溶液，将不锈钢隔板放在硝酸溶液中，超声处理3-5min，以除掉隔板表面的氧化物；

(4)、用去离子水清洗干净，在60℃和氮气条件下烘干备用；

(5)、配置渗碳剂：按照石墨粉10-15份，铁粉8-10份，碳酸钙3-5份，硅粉1-2份，碳酸钡1-5份，氯化铵1-10份；此组分配置的技术优点在于将碳源与粘结剂等直接按照一定比例进行混合，可以在后续反应中，一次性形成渗碳层，节省后期再加工的成本，并且渗碳层中碳与铁元素的比例可以根据渗碳剂的组分进行调整，达到最好的耐腐蚀效果。

(6)、在模具中铺上1-2cm厚的渗碳剂，然后将隔板放在渗碳剂上，再覆盖一层1-2cm厚的渗碳剂；

(7)、用压膜机在0.5-1.5MPa的压力下进行压制，压制时间为1-5min，将整个模具放入真空炉中，并进行抽真空处理；此步骤的技术优点在于可以将隔板与渗碳剂充分接触，并且减少渗碳剂中的空气成分，减少渗碳过程中造成不必要的氧化反应。

(8)、当真空炉中的压力达到0.5Pa以下，进行升温加热处理，设置真空炉温度为500-1200℃，升温速度为10℃/min，并在500-1200℃保持60-120min；此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真空气氛，在这种真空度下，模具中渗碳剂中掺杂的气体影响基本可以忽略，可以将高温下空气对隔板基体的影响降到最低。

(9)、停止加热，使模具随炉温冷却，冷却速度为20℃/min，当温度达到300-800℃时，再次以10℃/min的升温速度，升温到500-1200℃，保持30-60min，停止加热，使模具随炉温冷却，可以根据所需要渗碳层厚度，多次进行，厚度可以达到1-2mm，整个热处理温度流程如图4。此步骤的技术优点在于通过多次的渗碳操作，可以可控的控制渗碳层的厚度，达到自身电池的需求。

(10)、待模具冷却到室温，将隔板取出后清理多余的渗碳剂，进行电池组装。

所制备的具有渗碳层的隔板的示意图如图3，隔板的表面具有极高的碳丰度，可以完全隔绝燃料电池中腐蚀性物质继续侵蚀隔板内部的不锈钢材料。

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为阳极隔片，1ca为阴极隔片)由具有气体屏蔽性能和电子传导性元素组成。

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。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

配置渗碳剂：按照石墨粉10-15份，铁粉8-10份，碳酸钙3-5份，硅粉1-2份，碳酸钡1-5份，氯化铵1-10份；此组分配置的技术优点在于将碳源与粘结剂等直接按照一定比例进行混合，可以在后续反应中，一次性形成渗碳层，节省后期再加工的成本，并且渗碳层中碳与铁元素的比例可以根据渗碳剂的组分进行调整，达到最好的耐腐蚀效果。

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渗碳层的隔板示意图；

图4制备过程温度控制示意图。

具体实施方式

以下提供本发明一种用于燃料电池的含渗碳层的隔板的制备方法的具体实施方式。

实施例1

(1)、不锈钢表面预处理，包括采用不同目数(300目、500目、800目)的砂纸进行打磨，将试样打磨至光滑，然后用抛光机进行抛光。

(2)、配置质量分数5％的氢氧化钠溶液，将不锈钢隔板放在氢氧化钠溶液中，超声清洗20min，以除掉表面的油污。

(3)、配置质量分数为5％的硝酸溶液，将不锈钢隔板放在硝酸溶液中，超声处理5min，以除掉隔板表面的氧化物。

(4)、用去离子水清洗干净，在60℃和氮气条件下烘干备用。

(5)、配置渗碳剂：石墨粉的质量分数37.5％，铁粉的质量分数25％，碳酸钙的质量分数7.5％，硅粉的质量分数为5％，碳酸钡的质量分数12.5％，氯化铵的质量分数12.5％。

(6)、在模具中铺上2cm厚的渗碳剂，然后将隔板放在渗碳剂上，再覆盖一层2cm厚的渗碳剂。

(7)、用压膜机在1.5MPa的压力下进行压制，压制时间为3min，将整个模具放入真空炉中，并进行抽真空处理。

(8)、当真空炉中的压力达到0.5Pa以下，进行升温加热处理，设置真空炉温度为1000℃，升温速度为10℃/min，并在1000℃保持60min。

(9)、停止加热，使模具随炉温冷却，冷却速度为20℃/min，当温度达到600℃时，再次以10℃/min的升温速度，升温到1000℃，保持30min，停止加热，使模具随炉温冷却，可以根据所需要渗碳层厚度，多次进行，厚度可以达到1mm。

(10)、待模具冷却到室温，将隔板32取出后清理多余的渗碳剂31，进行电池组装。

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 (1)

1.一种用于燃料电池的含渗碳层的隔板的制备方法，其特征在于，其具体步骤为：

(1)、不锈钢表面预处理，包括采用不同目数的砂纸进行打磨，将试样打磨至光滑，然后用抛光机进行抛光；

(2)、配置质量分数5％-20％的氢氧化钠溶液，将不锈钢隔板放在氢氧化钠溶液中，超声清洗20-30min，以除掉表面的油污；

(3)、配置质量分数为5-15％的硝酸溶液，将不锈钢隔板放在硝酸溶液中，超声处理3-5min，以除掉隔板表面的氧化物；

(4)、用去离子水清洗干净，在60℃和氮气条件下烘干备用；

(5)、配置渗碳剂：按照石墨粉10-15份，铁粉8-10份，碳酸钙3-5份，硅粉1-2份，碳酸钡1-5份，氯化铵1-10份；

(6)、在模具中铺上1-2cm厚的渗碳剂，然后将隔板放在渗碳剂上，再覆盖一层1-2cm厚的渗碳剂；

(7)、用压膜机在0.5-1.5MPa的压力下进行压制，压制时间为1-5min，将整个模具放入真空炉中，并进行抽真空处理；

(8)、当真空炉中的压力达到0.5Pa以下，进行升温加热处理，设置真空炉温度为500-1200℃，升温速度为10℃/min，并在500-1200℃保持60-120min；

(9)、停止加热，使模具随炉温冷却，冷却速度为20℃/min，当温度达到300-800℃时，再次以10℃/min的升温速度，升温到500-1200℃，保持30-60min，停止加热，使模具随炉温冷却，根据所需要渗碳层厚度，多次进行，厚度达到1-2mm；

(10)、待模具冷却到室温，将隔板取出后清理多余的渗碳剂，进行电池组装；

砂纸的目数为300目，500目以及800目。

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