CN109904479A - 一种复合耐腐燃料电池金属双极板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合耐腐燃料电池金属双极板及其制备方法，所述金属双极板包括金属薄板、石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜黏附在金属薄板的外表面，形成带表面柔性石墨薄膜金属薄板。本发明通过在金属薄板表面涂敷廉价的石墨烯薄膜，不仅能够形成致密的保护层，极大地降低金属双极板的腐蚀速率，而且能降低极板的接触电阻，提高燃料电池性能，延长金属双极板的使用寿命。且本发明的制备方法不改变金属双极板的冲压和焊接加工工艺，即可制备出耐腐蚀的金属双极板，操作简单，具有很好的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种复合耐腐燃料电池金属双极板及其制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。随着新能源技术的不断发展，以氢气为主要燃料的质子交换膜燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)近年来已经成为研究的热点之一。由于其能量转换过程不必经过热机过程，因此能量转换效率不受卡诺循环限制，电池组的发电效率可以达到50％以上，而且其唯一产物是水，对环境十分友好。质子交换膜燃料电池的工作温度低、启动速度快、比功率高、工作寿命长，是理想的移动电源和独立电源装置，在交通工具、电子产品、国防军事和固定电站等领域具有广泛的应用前景。
传统的PEMFC电堆主要包括膜电极、双极板等结构，其中，双极板占去了电堆的大部分质量和成本。作为质子交换膜燃料电池的核心部件之一，双极板具有以下功能：(1)分隔氧化剂与还原剂；(2)收集电流并承担电池系统的散热；(3)为反应气体的流入和水的流出提供通道(即流场)；(4)支撑膜电极。因此，理想的双极板材料必须是电和热的良导体，具有良好的阻气性，在一定工作温度和电位范围内具有良好的耐腐蚀性，密度低，强度高，并且易于加工成型和大批量生产。目前，PEMFC的双极板材料主要有三种：石墨材料、复合材料和金属材料。其中，石墨材料的热导性和电导性良好，化学性质稳定，耐腐蚀性能好，但由于石墨材料脆性大，机械性能差，不易于大批量生产；复合材料双极板制造工艺简单、质量轻、抗腐蚀性能好，但同时存在导电性能差和气体渗透等问题；金属材料双极板具有高强度和良好的导电、导热性能，并且原材料便宜，适合大批量加工生产，是目前公认的燃料电池产业化首选。然而，金属极板在燃料电池的强酸、高温工作环境中极易发生腐蚀，污染催化剂，严重降低燃料电池的使用寿命，而且金属极板在酸性环境中会在表面形成钝化膜，进而增大了极板和气体扩散层的接触电阻。因此，提高金属极板的抗腐蚀性能、降低极板接触电阻是金属极板发展的主要方向。
现有技术中产生了易于加工的金属材料双极板，包括不锈钢双极板、铝金属双极板和钛金属双极板等，并在金属表面涂覆耐腐蚀导电涂层。现有涂覆耐腐蚀导电涂层的金属双极板的不足在于：一是金属双极板耐腐蚀导电涂层的寿命较低，不能满足燃料电池使用寿命5000小时到10000小时的寿命要求，二是成本较高，不能满足燃料电池低成本要求。
如金属双极板的表面导电耐腐蚀涂层通常采用物理气相沉积和电镀技术，在金属表面溅射或复合电镀上一薄层贵金属、炭、氮化物或痰化物，乃至硼化物等。贵金属，如铂和金等可以满足燃料电池工作环境的导电耐腐蚀要求，寿命也可以满足商业应用要求，但是价格昂贵，无法实现商业应用。氮化物、炭化物和硼化物，导电良好，存在的主要问题是其膨胀系数与金属板差别较大，在燃料电池工作温度循环过程中容易脱落，导致双极板使用寿命不能满足燃料电池商业化要求；同时该类材料属于半导体，其与电极炭材料接触电阻相对偏高，在大电流工作时，电压损失较大。溅射炭膜，包括炭与炭化铬、炭化钛复合涂层，在接触电阻上可以满足燃料电池放电要求，但是，其脱落以及易于被腐蚀导致其使用寿命偏短，不能满足燃料电池商业化需求。
石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料；石墨烯膜具有高导电、导热率；而在石墨烯膜加入微褶皱结构，使材料在拉伸弯折时有足够的拉伸空间，从而具有高柔性。将石墨烯膜用于制备燃料电池双极板将会大幅改变双极板的多方面特性，极大提升双极板的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种复合耐腐燃料电池金属双极板及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种复合耐腐燃料电池金属双极板，所述金属双极板包括金属薄板、石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜黏附在金属薄板的外表面，形成带表面柔性石墨薄膜金属薄板。
现有技术中产生了易于加工的金属材料双极板，包括不锈钢双极板、铝金属双极板和钛金属双极板等，并在金属表面涂覆耐腐蚀导电涂层。上述涂覆耐腐蚀导电涂层的金属双极板的不足在于：一是金属双极板耐腐蚀导电涂层的寿命较低，不能满足燃料电池使用寿命5000小时到10000小时的寿命要求，二是成本较高，不能满足燃料电池低成本要求。本发明通过在金属薄板黏附有一层石墨烯薄膜，不仅能够形成致密的保护层，极大地降低金属双极板的腐蚀速率，而且能降低极板的接触电阻，提高燃料电池性能，延长金属双极板的使用寿命。
作为本发明的复合耐腐燃料电池金属双极板的优选实施方式，所述的柔性石墨薄膜的厚度为0.05～0.15mm。
作为本发明的复合耐腐燃料电池金属双极板的优选实施方式，所述的薄金属板的厚度为0.08～0.1mm。
作为本发明的复合耐腐燃料电池金属双极板的优选实施方式，所述薄金属板为不锈钢、铜、钛合金、铝合金中的一种。
作为本发明的复合耐腐燃料电池金属双极板的优选实施方式，所述金属双极板的表面积为(10mm×10mm)～(900mm×900mm)。
本发明还提供了复合耐腐燃料电池金属双极板的制备方法，包括以下步骤：
1)将石墨烯薄膜黏附在金属薄板表面，形成带表面石墨薄膜的薄金属复合板；
2)将黏附有石墨烯薄膜的金属复合板冲压出金属氢极板和金属氧极板，氢极板表面带有氢流道沟槽和氢冷却通道沟槽，氧极板表面带有氢流道沟槽和氧冷却通道沟槽；
3)将氢氧极板连接成双极板，制成石墨烯复合高耐腐金属双极板。
作为本发明复合耐腐燃料电池金属双极板的制备方法的优选实施方式，所述步骤3)极板连接方式为激光焊接和粘胶粘接、胶线密封连接方式中的一种。
本发明的有益效果在于：本发明提供了复合耐腐燃料电池金属双极板及其制备方法，通过在金属薄板表面涂敷廉价的石墨烯薄膜，不仅能够形成致密的保护层，极大地降低金属双极板的腐蚀速率，而且能降低极板的接触电阻，提高燃料电池性能，延长金属双极板的使用寿命。且本发明的制备方法不改变金属双极板的冲压和焊接加工工艺，即可制备出耐腐蚀的金属双极板，操作简单，具有很好的实用价值。
附图说明
图1是本发明中石墨烯薄膜复合金属薄板的结构示意图。
图2是本发明中石墨烯薄膜复合耐腐金属双极板的结构示意图。
图中：1、金属极板；2、石墨烯薄膜；H表示氢极板、O表示氧极板、C表示柔性石墨薄膜。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
下述实施例中，未作特别说明的物质均从市场上购买得到。
实施例
本发明所述的复合耐腐燃料电池金属双极板的一种实施例，如图1至2所示，本实施例所述的双极板包括金属薄板1、石墨烯薄膜2，所述石墨烯薄膜2黏附在金属薄板1的外表面，形成带表面石墨烯薄膜金属薄板。
所述的石墨烯薄膜2的厚度为0.05～0.15mm，优选地，石墨烯薄膜2的厚度为0.1mm，金属薄板的厚度为0.08～0.1mm。
本实施例的复合耐腐燃料电池金属双极板的制备方法，包括以下步骤：
1)将石墨烯薄膜黏附在金属薄板表面，形成带表面石墨薄膜的薄金属复合板；
2)将黏附有石墨烯薄膜的金属复合板冲压出金属氢极板和金属氧极板，氢极板表面带有氢流道沟槽和氢冷却通道沟槽，氧极板表面带有氢流道沟槽和氧冷却通道沟槽；
3)将氢氧极板连接成双极板，制成石墨烯复合高耐腐金属双极板；
本实施例制备得到的金属双极板的面积为长100mm×宽400mm。
所述薄金属板为不锈钢、铜、钛合金、铝合金中的一种。
所述金属双极板的表面积为(10mm×10mm)～(900mm×900mm)。优选地，长100mm×宽400mm。
所述步骤3)极板连接方式为激光焊接和粘胶粘接、胶线密封连接方式中的一种。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.一种复合耐腐燃料电池金属双极板，其特征在于，所述金属双极板包括金属薄板、石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜黏附在金属薄板的外表面，形成带表面柔性石墨薄膜金属薄板。
2.根据权利要求1所述的复合耐腐燃料电池金属双极板，其特征在于，所述的柔性石墨薄膜的厚度为0.05～0.15mm。
3.根据权利要求1所述的复合耐腐燃料电池金属双极板，其特征在于，所述的薄金属板的厚度为0.08～0.1mm。
4.根据权利要求3所述的复合耐腐燃料电池金属双极板，其特征在于，所述薄金属板为不锈钢、铜、钛合金、铝合金中的一种。
5.根据权利要求1所述的复合耐腐燃料电池金属双极板，其特征在于，所述金属双极板的表面积为(10mm×10mm)～(900mm×900mm)。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的复合耐腐燃料电池金属双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将石墨烯薄膜黏附在金属薄板表面，形成带表面石墨薄膜的薄金属复合板；
2)将黏附有石墨烯薄膜的金属复合板冲压出金属氢极板和金属氧极板，氢极板表面带有氢流道沟槽和氢冷却通道沟槽，氧极板表面带有氢流道沟槽和氧冷却通道沟槽；
3)将氢氧极板连接成双极板，制成石墨烯复合高耐腐金属双极板。
7.根据权利要求6所述的复合耐腐燃料电池金属双极板的制备方法，其特征在于，所述步骤3)极板连接方式为激光焊接和粘胶粘接、胶线密封连接方式中的一种。
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