CN110931819A - 一种电化学蚀刻制备燃料电池金属双极板流场的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池金属双极板流场制作方法，属于燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池金属双极板的制作工艺。该方法主要是依据电化学阳极溶解的原理，在金属双极板表面蚀刻所需流道，并在蚀刻流场后的槽内镀疏水膜，改善水管理，并增强流场板耐腐蚀性。电化学蚀刻金属双极板流场，并在流场槽内镀疏水保护膜。所述疏水保护膜为PTFE膜、十三氟辛基三乙氧基硅烷膜或十七氟癸基三乙氧基硅烷膜中的任意一种。该方法具有低成本、时间周期短、模板易于修改、制作方便等优点。该方法能够实现不同试样双极板流场的连续制作，以达到对流场的不断微调，得到最佳流场性能。

Description

一种电化学蚀刻制备燃料电池金属双极板流场的方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种电化学蚀刻制备燃料电池双极板流场的方法。
背景技术
双极板在质子交换膜燃料电池中具有重要作用，同时双极板运行在高温酸性高湿度的环境，其性能对于电堆的质量和成本有很大影响，能够得到成本较低、性能较好的双极板能有效地降低质子交换膜燃料电池的成本，推动其商业化进程。而不锈钢具有很多优良的性能，同时成本也比较低，使用不锈钢制作的金属双极板具有良好导电性、阻气性好、易加工成型、机械强度高、延展性好等优势，从而提高PEMFC的体积、质量功率密度和降低成本。
金属双极板流场成形技术一般采用冲压、模压以及激光等，其加工周期较长、工艺复杂，并且加工出的金属板也易于发生变形和存在残余应力有发生应力腐蚀的隐患。有人提出采用结合光刻和电解加工对金属工件进行微细电化学加工，但是微细电化学加工所需设备要求高、加工间隙小、加工效率低，且加工出的双极板仍需表面改性等后处理，提高其耐腐蚀性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种快速制作燃料电池双极板流场的方法，该方法对设备要求低、制作成本低、周期短、模板易于修改、制作方便。
一种电化学蚀刻制备燃料电池双极板流场的方法，其特征在于电化学蚀刻双极板流场，并在流场槽内镀疏水保护膜。
进一步地，本发明采用电化学蚀刻制作双极板流场流程：
(1)防蚀层制作：在清洗后的不锈钢基材表面刮涂一层感光油墨后进行前烘，温度为80'C，时间为30-60分钟。烘干处理后，胶片贴于防蚀层进行曝光，曝光使用8W碘镓灯，灯距5cm，曝光3-5分钟。用预先配置好的1％碳酸钠显影液显影，即得到所需图形。再次烘干进行固化，温度控制在150℃-155℃，时间为50-60分钟。
(2)电化学蚀刻：配置电解液：14％-18％硝酸钠、1％-3％柠檬酸、0.5％-0.8％乙二醇以及0.016％-0.020％糖精，余量为水。以覆盖有防蚀层的不锈钢为阳极，炭板为阴极，进行阳极溶解，阴阳极间距1-4cm电流密度控制在0.8-1.5A/CM2，溶解过程中通过加入硫酸保持溶液pH低于2。
(3)将电化学蚀刻后的不锈钢板在未脱模时通过浸渍法镀疏水膜。(4)在4％氢氧化钠条件下去除防蚀层。
进一步地，所述疏水保护膜为PTFE膜、十三氟辛基三乙氧基硅烷膜或十七氟癸基三乙氧基硅烷膜中的任意一种。
进一步地，所述十七氟癸基三乙氧基硅烷膜的制备是：取十七氟癸基三乙氧基硅烷与蒸馏水按比例1:(2.5-4)混合，再按比例1：(0.9-1.2)加入乙醇搅拌3h充分水解，70-90摄氏度下将样品浸没3-6h，取出样品在干燥箱中100-130摄氏度固化8-12h。
进一步地，所述十三氟辛基三乙氧基硅烷膜的制备是：取十三氟辛基三乙氧基硅烷与蒸馏水按1：(3-4.5)混合，再按比例1；(0.8-1.1)加入乙醇搅拌2-5h充分水解，60-100摄氏度下将样品浸没4-6h，取出样品在干燥箱中90-120摄氏度固化20-24h。
进一步地，所述PTFE膜的制备是：配置稀释至2-10％PTFE乳液，将样品浸没于PTFE稀释液中，置于100-150摄氏度下干燥1-3h，在345摄氏度下热处理0.5-1.5h，在375摄氏度下热处理0.5-1.5h，缓慢降温。
在本发明的一些实施案例中，所述表面疏水镀膜选自PTFE、十三氟辛基三乙氧基硅烷或十七氟癸基三乙氧基硅烷中的任意一种。
本发明采用的技术方案是将所设计流场通过电化学蚀刻雕刻于金属板，并在流场凹槽中镀疏水膜以提高金属双极板在使用过程中的耐腐蚀性，并改善水管理。电化学蚀刻加工是在光刻基础上进行电解加工的特种加工工艺，可以加工任何导电金属材料，不受材料的刚度、强度和韧性的限制，免除其他加工方式所产生得残余应力和变形。本发明所采用的电化学蚀刻方法，相比于传统电解加工或微细电解加工技术，无需专用电解加工机床设备，阴阳极间距可控制在1-4cm，更便于加工。
附图说明
图1是电化学蚀刻方法示意图，
1.工具阴极，2.电解液，3.光刻防蚀层，4.工件阳极，5.电源；
图2是案例1制备的膜在0.5M硫酸+5ppmF-溶液中动电位极化曲线图；
图3是案例1制备的膜所测接触角；
图4是案例2制备的膜在0.5M硫酸+5ppmF-溶液中动电位极化曲线图；
图5是案例2制备的膜所测接触角；
图6是案例3制备的膜在0.5M硫酸+5ppmF-溶液中动电位极化曲线图；
图7是案例3制备的膜所测接触角。
具体实施方式
实施案例1
(1)实验预处理实验选用69*127*1mm的316不锈钢板作为基材，首先将不锈钢板浸入氢氧化钠溶液超声处理以达到表面去油，待超声处理结束将取出的不锈钢板用去离子水清洗。(2)制作防蚀层将感光油墨通过刮涂机均匀涂布于不锈钢板材表面，保证均匀、无气泡、漏眼。在80摄氏度下烘烤60分钟。将打印好的胶片贴于感光油墨，使用8W碘镓灯，灯距5cm，曝光5分钟，用预先配置好的1％碳酸钠显影液显影，即得到所需图形。随后155摄氏度下烘烤60分钟。(3)电化学蚀刻配置电解质溶液16％硝酸钠、2％柠檬酸、6mL/l乙二醇以及0.18g/L糖精。将不锈钢与石墨板平行放入配置好的电解液中，其大小比例为1:1.5，保持电解液循环流动流速400mL/min，极间距为2.5cm，极间电压7V，电流密度0.9A/cm2，蚀刻时长45min。(4)取0.01mol十七氟癸基三乙氧基硅烷与15ml蒸馏水混合，再加入30ml乙醇搅拌3h，80摄氏度下将蚀刻后未去除防蚀层的不锈钢试样浸没3h，取出样品在干燥箱中150摄氏度固化12h。(5)将处理后的不锈钢置于4％氢氧化钠溶液中，浸泡30min去除防蚀层，即可得到所设计流场双极板。
实施案例2
(1)实验预处理实验选用69*127*1mm的316不锈钢板作为基材，首先将不锈钢板浸入氢氧化钠溶液超声处理以达到表面去油，待超声处理结束将取出的不锈钢板用草酸溶液清洗去除残余碱液，最后去离子水清洗，观察不锈钢板表面，如表面形成均匀液膜说明去油效果良好，否则重复之前步骤。(2)制作防蚀层将感光油墨通过刮涂机均匀涂布于不锈钢板材表面，保证均匀、无气泡、漏眼。在80摄氏度下烘烤20分钟。将打印好的胶片贴于感光油墨，使用8W碘镓灯，灯距5cm，曝光5分钟，用预先配置好的1％碳酸钠显影液显影，即得到所需图形。随后155摄氏度下烘烤20分钟。(3)电化学蚀刻配置电解质溶液16％硝酸钠、2％柠檬酸、8mL/l乙二醇以及0.20g/L糖精。将不锈钢与石墨板平行放入配置好的电解液中，其大小比例为1:1.5-2，保持电解液循环流动流速400mL/min，极间距为3.5cm，极间电压9V，电流密度0.9A/cm2，蚀刻时长45min。(4)取0.01mol十三氟辛基三乙氧基硅烷与20ml蒸馏水混合，再加入30ml乙醇搅拌3h，80摄氏度下将蚀刻后未去除防蚀层的不锈钢试样浸没5h，取出样品在干燥箱中100摄氏度固化24h。(5)将处理后的不锈钢置于4％氢氧化钠溶液中30min去除防蚀层，即可得到所设计流场双极板。
实施案例3
(1)实验预处理实验选用69*127*1mm的316不锈钢板作为基材，首先将不锈钢板浸入氢氧化钠溶液超声处理以达到表面去油，待超声处理结束将取出的不锈钢板用草酸溶液清洗去除残余碱液，最后去离子水清洗，观察不锈钢板表面，如表面形成均匀液膜说明去油效果良好，否则重复之前步骤。(2)制作防蚀层将感光油墨通过刮涂机均匀涂布于不锈钢板材表面，保证均匀、无气泡、漏眼。在80摄氏度下烘烤20分钟。将打印好的胶片贴于感光油墨，使用8W碘镓灯，灯距5cm，曝光5分钟，用预先配置好的1％碳酸钠显影液显影，即得到所需图形。随后155摄氏度下烘烤30分钟。(3)电化学蚀刻配置电解质溶液16％硝酸钠、2％柠檬酸、6mL/l乙二醇以及0.18g/L糖精。将不锈钢与石墨板平行放入配置好的电解液中，其大小比例为1:1.5-2，保持电解液循环流动流速400mL/min，极间距为3cm，极间电压8V，电流密度0.9A/cm2，蚀刻时长45min。(4)配置稀释至2％PTFE乳液，将蚀刻后未去除防蚀层的不锈钢浸没于PTFE稀释液中，首先置于120摄氏度下干燥1h，在345摄氏度下热处理30min，在375摄氏度下热处理30min，缓慢降温，镀膜后流场槽内保持绝缘。(5)将处理后的不锈钢通过机械抛光去除防蚀层，即可得到所设计流场双极板。

Claims (6)

1.一种电化学蚀刻制备燃料电池金属双极板流场的方法，其特征在于电化学蚀刻双极板流场，并在流场槽内镀疏水保护膜。
2.根据权利要求1所述电化学蚀刻制备燃料电池金属双极板流场的方法，其特征在于所述电化学蚀刻双极板流场制作流程为：
(1)防蚀层制作：在清洗后的不锈钢基材表面刮涂一层感光油墨后进行前烘，温度为80'C，时间为30-60分钟；烘干处理后，胶片贴于防蚀层进行曝光，曝光使用8W碘镓灯，灯距5cm，曝光3-5分钟；用预先配置好的1％碳酸钠显影液显影，即得到所需图形；再次烘干进行固化，温度控制在150℃-155℃，时间为50-60分钟；
(2)电化学蚀刻：配置电解液：14％-18％硝酸钠、1％-3％柠檬酸、0.5％-0.8％乙二醇以及0.016％-0.020％糖精，余量为水；以覆盖有防蚀层的不锈钢为阳极，炭板为阴极，进行阳极溶解，阴阳极间距1-4cm电流密度控制在0.8-1.5A/CM2，溶解过程中通过加入硫酸保持溶液pH低于2；
(3)将电化学蚀刻后的不锈钢板在未脱模时通过浸渍法镀疏水膜；
(4)在4％氢氧化钠条件下去除防蚀层。
3.根据权利要求1所述电化学蚀刻制备燃料电池双极板流场的方法，其特征在于所述疏水保护膜为PTFE膜、十三氟辛基三乙氧基硅烷膜或十七氟癸基三乙氧基硅烷膜中的任意一种。
4.根据权利要求3所述电化学蚀刻制备燃料电池双极板流场的方法，其特征在于所述十七氟癸基三乙氧基硅烷膜的制备是：取十七氟癸基三乙氧基硅烷与蒸馏水按比例1:(2.5-4)混合，再按比例1：(0.9-1.2)加入乙醇搅拌3h充分水解，70-90摄氏度下将样品浸没3-6h，取出样品在干燥箱中100-130摄氏度固化8-12h。
5.根据权利要求3所述电化学蚀刻制备燃料电池双极板流场的方法，其特征在于所述十三氟辛基三乙氧基硅烷膜的制备是：取十三氟辛基三乙氧基硅烷与蒸馏水按1：(3-4.5)混合，再按比例1；(0.8-1.1)加入乙醇搅拌2-5h充分水解，60-100摄氏度下将样品浸没4-6h，取出样品在干燥箱中90-120摄氏度固化20-24h。
6.根据权利要求3所述电化学蚀刻制备燃料电池双极板流场的方法，其特征在于所述PTFE膜的制备是：配置稀释至2-10％PTFE乳液，将样品浸没于PTFE稀释液中，置于100-150摄氏度下干燥1-3h，在345摄氏度下热处理0.5-1.5h，在375摄氏度下热处理0.5-1.5h，缓慢降温。
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