CN111900426A - 一种燃料电池双极板防腐涂层及其制备方法 - Google Patents

一种燃料电池双极板防腐涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池双极板防腐涂层及其制备方法，该防腐涂层包括涂覆在金属极板表面的导电胶体层，以及设置在导电胶体层上的疏水碳纤维布层。与现有技术相比，本发明利用疏水碳纤维布阻止金属极板与电池环境中腐蚀介质的接触，有效保护了极板，电池环境下腐蚀速度可降低至10‑8～10‑7A/cm2，同时利用导电胶体与碳纤维布优异的导电性能，接触电阻在1.4Mpa下约为10～30mΩcm2，保证燃料电池双极板性能的发挥，且制备方法简单高效。

Description

一种燃料电池双极板防腐涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池双极板防腐涂层及其制备方法。
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化成电能的发电装置。随着能源的紧缺，以氢能为代表的新能源技术受到越来越多的重视。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)由于转换效率高、对环境无污染、工作温度低、工作寿命长等特点，在国防、交通领域得到了广泛的应用。
双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件之一，占电堆体积的80％、质量的70％和成本的29％。双极板起着提供气体反应场所、收集电流、支撑膜电极、水管理等作用。双极板材料应具有良好的导电性，较好的耐蚀性与机械强度。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。其中石墨材料化学性质稳定，导电性良好，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、抗腐蚀性能好，但导电性往往不佳；金属材料双极板具有高强度和良好的导电、导热性能，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，金属极板在高温、强酸的燃料电池环境下极易发生腐蚀，污染膜电极，严重影响燃料电池的使用寿命，而且金属极板在酸性环境下会在表面形成钝化膜，进而增大了极板与气体扩散层之间的接触电阻。因此，提高金属极板的耐腐蚀性能和降低接触电阻是金属极板广泛应用的主要方向。
在金属极板表面通过物理气相沉积、化学气相沉积、离子镀或电镀等方式制备一层保护性涂层是近年来国内外研究的热点。但这些镀膜工艺往往比较繁琐，且膜层较薄，在恶劣环境中，极有可能漏出金属基底导致膜层失效。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种燃料电池双极板防腐涂层及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种燃料电池双极板防腐涂层，包括涂覆在金属极板表面的导电胶体层，以及设置在导电胶体层上的疏水碳纤维布层。
进一步的，所述的导电胶体层的厚度大于100μm。
进一步的，所述的导电胶体层的粘度大于12000MPa·s，在25℃下。
进一步的，所述的导电胶体层固化后的体积电阻率低于10-3Ω·cm。
进一步的，所述的疏水碳纤维布层与水的接触角不小于130°
进一步的，所述的疏水碳纤维布层在沿厚度方向的单位面积电阻小于13mΩ。
本发明中，导电胶体层厚度过小会发生腐蚀介质渗入的可能，胶体层厚度过大成本过高且没有必要；导电胶体层粘度越大越好，粘度过低可能导致防腐涂层的脱附；导电胶体层固化后的体积电阻率将会显著影响防腐涂层的电阻，进一步影响燃料电池整体的性能，故其越低越好。
疏水碳纤维布层与水的接触角越大，防腐涂层整体的耐蚀性将会越好，低于130°可能无法满足耐蚀性的要求，疏水碳纤维布层沿厚度方向的单位面积电阻越低，膜层的表面电阻越低，有利于燃料电池的性能发挥，也是越低越好。
本发明的技术方案之二提供了一种燃料电池双极板防腐涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)先将导电胶涂覆在金属极板表面，形成导电胶体层；
(2)再将裁剪至指定形状的疏水碳纤维布贴附在导电胶体层上，得到疏水碳纤维布层；
(3)在疏水碳纤维布层表面施加压力，使得疏水碳纤维布层与导电胶体层充分接触；
(4)接着，将金属极板置于烘箱中固化，使得导电胶体层完全固化，并与疏水碳纤维布层和金属极板粘结，即完成在燃料电池金属极板上的防腐涂层的制备。
进一步的，金属极板在涂覆导电胶前，经采用有机溶剂超声清洗处理。
进一步的，步骤(3)中，施加的压力为10-50N。
进一步的，步骤(4)中，固化的温度为140～160℃，固化时间为1～2小时。
本发明利用疏水碳纤维布阻止金属极板与电池环境中腐蚀介质的接触，有效保护了极板，电池环境下腐蚀速度可降低至10-8～10-7A/cm2，同时利用导电胶体与碳纤维布优异的导电性能，接触电阻在1.4Mpa下约为10～30mΩcm2，保证燃料电池双极板性能的发挥，且制备方法简单高效。
与现有技术相比，本发明利用疏水碳纤维布进行防腐，有效避免了金属极板基体与燃料电池环境下的腐蚀介质接触；采用导电胶体作为金属极板与疏水碳纤维布层的粘结过渡层，保证金属极板具有较高的导电性，充分发挥燃料电池的性能；原料容易获取，无需依赖精密设备仪器，涂层制备简单快捷。
附图说明
图1为实施例1中防腐涂层的结构示意图；
图2为实施例1中防腐涂层在pH＝3、80℃的H2SO4(含0.1ppm HF)溶液中0.84V(vsSHE)恒电位极化1h电流密度曲线；
图3为实施例1中防腐涂层接触电阻测试结果；
图4为对比例1所得防腐涂层的电化学测试结果；
图5为对比例2所得防腐涂层的电化学测试结果；
图中标记说明：
1-金属极板、2-导电胶体层、3-疏水碳纤维布层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，所用导电胶为市售产品：江苏圣格鲁新材料科技有限公司，牌号8812X型；所用疏水碳纤维布为市售产品：台湾碳能科技股份有限公司，牌号W0S1009。
其余如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售产品或常规原料。
实施例1：
本实施例提供了一种制备燃料电池双极板防腐涂层的方法，包括：
1)金属极板预处理：依次使用丙酮、无水乙醇将纯镁双极板进行超声振动清洗。
2)导电胶体层制备：采用刮涂刀将导电胶体层涂敷在金属极板表面；
3)疏水碳纤维布层：将疏水碳纤维布层裁剪至1cm2附在导电胶体层表面。
4)在疏水碳纤维布层表面施加10～50N(本实施例选择30N)的压力，使导电胶体层与疏水碳纤维布层充分接触。
5)将涂敷好防腐涂层的金属极板放入烘干箱中设置温度140～160℃(本实施例为150℃)保温1～2小时(本实施例为2h)使导电胶体层完全固化并将疏水碳纤维布层与金属极板粘结，涂层制备完毕，制得的结构如图1所示。
6)将制备好的涂层进行性能表征，燃料电池环境下电化学测试结果如图2所示，从图中可以看出其稳定后的腐蚀电流密度低于5×10-8uA/cm2，达到了2020年美国能源部针对燃料电池双极板的腐蚀性能要求指标。
同时，涂层接触电阻测试结果如图3所示，从图中可以看出，随着压力的增加，接触电阻显著降低，在1.4Mpa下为18mΩcm2，非常接近2020年美国能源部针对燃料电池双极板的接触电阻要求指标，即1.4Mpa压力下10mΩcm2。
对比例1：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了将疏水碳纤维布层改为常规的疏水角为120°的碳纤维布层，图4为其在相同电化学环境下的电化学测试结果，可见其腐蚀电流密度相较于疏水碳布高出5个数量级，由此可见碳纤维布的疏水性至关重要。
对比例2：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了导电胶体层的厚度改为50μm，图5为其在相同电化学环境下的电化学测试结果，可见其腐蚀电流密度为8×10-5A/cm2左右，且不稳定，由此可见导电胶体层的厚度非常关键，应达到一定的厚度避免基体的暴露。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池双极板防腐涂层，其特征在于，包括涂覆在金属极板表面的导电胶体层，以及设置在导电胶体层上的疏水碳纤维布层。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板防腐涂层，其特征在于，所述的导电胶体层的厚度大于100μm。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板防腐涂层，其特征在于，所述的导电胶体层的粘度大于12000MPa·s，在25℃下。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板防腐涂层，其特征在于，所述的导电胶体层固化后的体积电阻率低于10-3Ω·cm。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板防腐涂层，其特征在于，所述的疏水碳纤维布层与水的接触角不小于130°。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板防腐涂层，其特征在于，所述的疏水碳纤维布层在沿厚度方向的单位面积电阻小于13mΩ。
7.如权利要求1-6任一所述的一种燃料电池双极板防腐涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)先将导电胶涂覆在金属极板表面，形成导电胶体层；
(2)再将裁剪至指定形状的疏水碳纤维布贴附在导电胶体层上，得到疏水碳纤维布层；
(3)在疏水碳纤维布层表面施加压力，使得疏水碳纤维布层与导电胶体层充分接触；
(4)接着，将金属极板置于烘箱中固化，使得导电胶体层完全固化，并与疏水碳纤维布层和金属极板粘结，即完成在燃料电池金属极板上的防腐涂层的制备。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池双极板防腐涂层的制备方法，其特征在于，金属极板在涂覆导电胶前，经采用有机溶剂超声清洗处理。
9.根据权利要求7所述的一种燃料电池双极板防腐涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，施加的压力为10-50N。
10.根据权利要求7所述的一种燃料电池双极板防腐涂层的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，固化的温度为140～160℃，固化时间为1～2小时。
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