CN115939435A - 金属双极板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属双极板，包括金属基板以及在金属基板上依次形成的过渡层和耐蚀层，金属双极板在80℃的0.5mM H2SO4+0.1ppm HF溶液中进行24h恒电位测试以后，腐蚀电流密度在5×10‑8A/cm2以下。本发明的技术方案在金属基板表面形成复合膜层，包括过渡层和耐蚀层。耐蚀层能在PEMFC的工作环境下维持性能稳定，对金属基板起保护作用，但其通常较薄，并且在其形成过程中很难避免出现贯穿孔或裂缝的缺陷，本发明通过设置过渡层，可以在耐蚀层出现缺陷时，在缺陷处形成致密的氧化物，堵住该缺陷，避免PEMFC中的酸性溶液直接接触金属基板造成金属双极板失效，同时还能使外侧的耐蚀层保持相对完整，以使金属双极板维持良好的使用性能。本发明还提供了一种金属双极板的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种金属双极板的耐蚀涂层及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)利用分别通入其内部的氢气和氧气作为能量来源，通过氧化还原反应产生电流供电。因其发电过程不涉及卡诺循环，能量利用率很高，无污染，且工作温度低，启动速度快，近年来被认为是最适合在交通工具上应用的新型能源。
双极板是PEMFC上的核心部件之一。在PEMFC的运行过程中，双极板承担多项角色，包括支撑膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)、传导电流、导通气体、排除反应热量等，其质量与体积分别占到整个燃料电池的70％和80％以上。因此，双极板在需要具有良好的机械性能、导电性能、导热性能的同时，由于燃料电池内部工作环境含有硫酸(pH＝2～3)和氢氟酸(0.1ppm)，且工作温度可达80℃，也需要具备在酸性和高温环境下的耐蚀性。
常见的PEMFC双极板包括石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板。石墨双极板具有优异的导电性、导热性和耐蚀性，在工作环境中的性能十分稳定，但其较脆，机械性能较差，加工时通常采用压铸成型或者膨胀石墨成型等方式，制作工艺复杂且厚度较大。复合材料双极板通常是石墨与金属或者其他碳材料复合形成的，通常也通过压铸成型等方式来生产，制作工艺复杂。
金属双极板通常也具有好的导电性和导热性，与石墨双极板和复合材料双极板相比，机械加工性能强，制作工序较少，可用于制作超薄双极板，并应用于小体积、高功率密度的燃料电池。常见的不锈钢双极板往往会在酸性和高温的电池环境下发生严重的腐蚀，表面发生钝化，影响双极板的导电性，通常需要对不锈钢双极板表面进行改性，以使不锈钢双极板能够在工作环境中保持良好的抗腐蚀性和导电性。与不锈钢板相比，铝双极板和镁双极板在加工性能和提高PEMFC重量比功率方面优势明显，但铝和镁一旦暴露在酸性环境中会迅速被腐蚀，严重影响PEMFC的工作稳定性。现有技术中对铝板的改性通常采用表面磁控溅射的方式在其表面沉积碳等耐腐蚀材料，以对其进行保护。由于磁控溅射往往难以避免镀层出现穿孔和裂纹等缺陷，且单一膜层往往不能对铝板和镁板提供充分的保护，使用时涂层失效导致铝板或镁板溶解的风险依然存在。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的膜层容易在使用时失效，导致金属双极板被腐蚀的问题。本发明提供了一种金属双极板，包括金属基板以及在金属基板上依次形成的过渡层和耐蚀层，金属双极板在80℃的0.5mM H2SO4+0.1ppm HF溶液中进行24h恒电位测试以后，腐蚀电流密度在5×10-8A/cm2以下。
本发明的技术方案在金属基板上形成复合膜层，包括过渡层和耐蚀层。耐蚀层对金属基板起保护作用，使其在酸性环境中不被腐蚀，以确保金属双极板能在PEMFC中稳定工作。由于耐蚀层通常较薄，并且在其形成过程中很难避免出现贯穿孔或裂缝的缺陷。而在本发明的技术方案中，一旦耐蚀层出现缺陷，酸性溶液会通过缺陷处接触过渡层材料，在缺陷处形成致密的氧化物，堵住该缺陷，避免酸性溶液直接接触金属基板造成金属双极板失效，同时还能使外侧的耐蚀层保持相对完整，以使金属双极板维持良好的导电性能。本发明的金属双极板的性能应当满足在80℃的0.5mM H2SO4+0.1ppm HF溶液中进行24h恒电位测试以后，腐蚀电流密度在5×10-8A/cm2以下，在使用环境下表现出良好的耐腐蚀性。
优选地，本发明的金属双极板满足：
金属基板包含铝、镁、钛、铁、铜中的至少一种；和/或，
过渡层包含镍和/或铬；和/或，
耐蚀层包含钽。
通常镁板和铝板由于极易在PEMFC的酸性环境中被腐蚀，容易导致双极板迅速失效，而被避免使用在PEMFC中。采用本发明的技术方案，金属基板上形成有两种膜，即使在金属双极板的使用过程中其表层的耐蚀层出现破损，也能通过钝化材料在酸性环境中形成的氧化膜进行迅速填补，能够有效确保金属基板中包含镁或铝的金属双极板的使用稳定性。当然，本发明的复合膜层对于易被酸溶解的镁和铝等金属基板都能进行有效保护，其他的由在酸性环境中较为稳定的材料制成的金属基板，例如不锈钢、钛合金、铜合金等其他可用于燃料电池金属双极板制备的材料，由于这些材料在PEMFC使用环境中相对镁和铝更不易被腐蚀，因此在采用本发明的复合膜层时金属双极板的整体使用性能会更加稳定。
优选地，本发明中的金属基板由纯铝板、纯镁板、铝合金板、镁合金板或镁铝合金板中的至少一种组成；更优选地，金属基板为纯铝板、纯镁板、铝合金板、镁合金板或镁铝合金板。
优选地，耐蚀层为纯钽层。本发明中耐蚀层作为降低金属双极板腐蚀速度的关键，要求其具有优异的化学稳定性，钽在酸性环境中的耐蚀性极强，且其腐蚀产物膜厚度为纳米级，对金属双极板的导电性影响较小。
优选地，过渡层为纯镍层、纯铬层或镍铬合金层。
镍和铬能在PEMFC的酸性环境中钝化形成致密氧化膜，避免腐蚀介质接触过渡层后产生活性溶解导致膜层快速失效，显著延长金属双极板的使用寿命。
优选地，金属基板的厚度为100～300μm。
优选地，过渡层的厚度为10μm～50μm，更优选为10μm～30μm，更优选为15～30μm。
过渡层作为覆盖金属极板免受燃料电池环境的关键屏障，同时，其决定了外层耐蚀层在出现微孔后能否继续附着在双极板上，若过渡层厚度＜10μm，导致腐蚀介质通过扩散接触到金属基板，则会引起电偶腐蚀，大大加速双极板的腐蚀速率，因此中间层厚度应大于10μm。优选地，过渡层厚度在15μm以上，确保腐蚀介质在长时间使用过程中不会与金属基板接触，以延长含镁铝的金属双极板的使用寿命。不同于Ti、Cu或不锈钢等制成的金属基板，含Al、Mg的金属基板更加不耐腐蚀，因此需要设置相对较厚的过渡层以确保对金属基板提供有效保护。
优选地，耐蚀层的厚度为1μm～5μm，更优选为1μm～2μm。在本发明中，耐蚀层在金属双极板使用过程中发挥主要的保护作用，其厚度在1μm以上
过渡层和耐蚀层的厚度小有利于实现金属双极板的轻量化。
在本发明中过渡层和耐蚀层均可以为单层或多层，优选为多层，可以避免出现贯穿的通孔。只要控制过渡层和耐蚀层的总厚度分别为10μm～50μm和1μm～5μm即可。
另一方面，本发明提供了一种金属双极板的制造方法，金属双极板包括金属基板以及在金属基板上依次形成的过渡层和耐蚀层，金属双极板在80℃的0.5mM H2SO4+0.1ppmHF溶液中进行24h恒电位测试以后，腐蚀电流密度在5×10-8A/cm2以下；
上述制造方法包括以下步骤：
预处理：对金属基板进行机械打磨和清洗；
形成过渡层：对金属基板进行化学镀或电镀，以在金属基板表面形成过渡层；
形成耐蚀层：对具有过渡层的金属基板进行物理气相沉积或化学气相沉积，以在过渡层表面形成耐蚀层。
优选地，物理气相沉积为磁控溅射或离子镀。
优选地，采用化学镀在金属基板上形成过渡层，化学镀药水包含硫酸镍和/或铬酸酐。
优选地，化学镀药水中硫酸镍的浓度为0.05～0.09mol/L，铬酸酐的浓度为0.3～0.6mol/L。
进一步地，在形成过渡层的步骤中，对金属基板进行化学镀或电镀后进行干燥，干燥温度为40～70℃，干燥时间为15～40min。
具体地，预处理时对金属基板用砂纸进行打磨，例如选用2000目的砂纸；在形成耐蚀层之前，也要对金属基板表面的过渡层进行打磨，例如使用7000目的砂纸，砂纸的目数可根据被打磨的金属类型进行调整。打磨使金属基板或过渡层具有一定的粗糙度，可以提高后续镀层的附着性。
在本发明中，由于强耐蚀层采用物理气相沉积的方法制备，难以避免孔洞存在，因此过渡层采用镍、铬金属或其合金制备，其在酸性环境下易钝化，避免腐蚀介质接触过渡层后产生活性溶解导致膜层快速失效；过渡层应尽量避免孔洞，所以需要其具有一定的厚度降低缺陷产生的概率，因此采用电镀或化学镀工艺，在制备微米级膜层时其成本较低且工业常用，原料易于获取。
另一方面，本发明采用多工艺制备复合涂层的方法，最大程度上避免了单工艺制膜导致的贯穿孔问题，可充分发挥膜层的性能；过渡层与耐蚀层依次制备，可更好把控膜层质量，更容易获得性能优异的膜层。镀膜的成分及厚度等参数容易根据实际使用需求进行合理调整，适用于产业化生产。
附图说明
图1示出本发明的金属双极板沿厚度方向的截面的示意图；
图2示出本发明实施例1的金属双极板在80℃、0.5mM H2SO4+0.1ppm HF溶液中0.84V(vs.SHE)恒电位极化电流密度曲线；
图3示出本发明实施例2的金属双极板在80℃、0.5mM H2SO4+0.1ppm HF溶液中0.84V(vs.SHE)恒电位极化电流密度曲线。
附图标记：
1-金属基板；2-过渡层；3-耐蚀层。
具体实施方式
除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员的通常理解相同的含义。
腐蚀电流密度按如下测得：将金属双极板置于80℃0.5mM H2SO4+0.1ppm HF的溶液中，以标准氢电极为参比电极，测量流经耐蚀层的电流密度。
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。应明确，以下实施例仅用于对本发明的具体实施方式的描述，并不用于对本发明的保护范围构成任何限制。
实施例
实施例1-4的金属双极板通过依次进行的以下步骤制得：
(1)预处理：对金属基板进行机械打磨和清洗。
具体地，将金属极板进行机械打磨，随后利用有机溶剂，例如丙酮、无水乙醇等，进行超声清洗，以去除金属基板表面油污。
(2)形成过渡层：对金属基板进行化学镀或电镀，以在金属基板表面形成过渡层。
具体地，先采用磷酸溶液与氢氟酸溶液对金属基板进行酸洗活化处理，再将金属基板浸泡在市售化学镀药水中1～2h，以在金属基板表面形成厚度为10μm～50μm的过渡层。例如，作为本发明的一个实施方式，为了在金属基板表面形成纯镍层，将金属基板浸泡在NiSO4溶液中，其中NiSO4的浓度为0.05～0.09mol/L；作为本发明的另一实施方式，为了在金属基板表面形成纯Cr层，将金属基板浸泡在铬酸酐溶液中，其中铬酸酐的浓度为0.3～0.6mol/L。当然，在本发明其他可能的实施方式中，化学镀药水中可以同时含有硫酸镍和铬酸酐，以在金属基板表面形成镍铬合金。
在本发明其他可能的实施例中，在金属基板表面形成过渡层也可以采用电镀进行，电镀时外时外加阳极和电流，可以比化学镀形成过渡层更快。但是电镀时的电流密度和基板形状会对电镀的效果有影响，化学镀利用金属表面发生的自催化反应，不受基板形状限制，在任何基板表面都可以形成均匀的过渡层，同时能够有效避免电镀、磁控溅射等形成镀层时容易产生贯穿的通孔。因此，在本发明的技术方案中，在金属基板表面形成过渡层时优选用化学镀，操作更加简单。
采用化学镀在金属基板表面形成过渡层时，过渡层的厚度与镀液的浓度和金属基板浸泡在镀液中的时间相关，为了获得更大的过渡层厚度可以根据需要采用较大的镀液浓度和更长的镀液浸泡时间。
(3)干燥过渡层：干燥温度为40～70℃，干燥时间为15～40min。
(4)形成耐蚀层：对具有过渡层的金属基板进行物理气相沉积，以在过渡层表面形成耐蚀层。
将涂覆了过渡层的金属基板放入置于工作腔中进行纯钽沉积，沉积完成后即完成复合涂层的制备工艺。具体地，将干燥后的极板放置于磁控溅射设备真空腔体中，抽至真空3×10-3Pa，并采用氩离子对表面刻蚀5分钟。利用高纯钽靶(≥99.5％)溅射纯钽过渡层2表面，以形成耐蚀层3。磁控溅射的功率为150～250W。
对比例1的金属双极板采用与上述方法相似的工艺制备，区别仅在于，对比例1的金属双极板在Al合金表面形成的过渡层的厚度不在本发明限定的范围内。
表1示出本发明实施例1-4和对比例1中金属双极板的组成及各镀层厚度，其中Al合金为6061铝合金，镁的纯度＞99.9％。
表1
表2示出本发明实施例1-4和对比例1中金属双极板制备工艺的具体参数。
表2
本发明中实施例1-4的金属双极板进行24h恒电位测试后，腐蚀电流密度均低于5×10-8A/cm2，即金属双极板在PEMFC的使用环境下腐蚀速度非常缓慢，本发明的过渡层和耐蚀层组成的复合膜层可以对在溶液中易被腐蚀的镁、铝等金属进行有效保护。
图1是本发明实施例中金属双极板沿厚度方向截面的示意图，该金属双极板由金属基板1、过度层2和耐蚀层3组成。
图2是实施例1的金属双极板在pH＝3、80℃、0.5mM H2SO4+0.1ppm HF溶液中恒电位(vs.SHE)极化电流密度曲线。从图中可以看出其稳定后的腐蚀电流密度低于5×10-8A/cm2，即符合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。
图3为实施例2的金属双极板在与实施例1的金属双极板相同的电化学环境下的恒电位极化电流密度曲线，其腐蚀电流密度并未见显著变化，由此可见耐蚀涂层对不同金属基材优异的可调节性与保护性。
对比例1中Al合金表面的过渡层厚度仅为8微米，不能满足本发明中对金属双极板使用性能的要求。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括做出若干简单推演或替换，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种金属双极板，其特征在于，包括金属基板以及在所述金属基板上依次形成的过渡层和耐蚀层，所述金属双极板在80℃的0.5mM H2SO4+0.1ppm HF溶液中进行24h恒电位测试以后，腐蚀电流密度在5×10-8A/cm2以下。
2.如权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，
所述金属基板包含铝、镁、钛、铁、铜中的至少一种；和/或，
所述过渡层包含镍和/或铬；和/或，
所述耐蚀层包含钽。
3.如权利要求1或2所述的金属双极板，其特征在于，所述过渡层的厚度为10μm～50μm。
4.如权利要求1或2所述的金属双极板，其特征在于，所述耐蚀层的厚度为1μm～5μm。
5.一种金属双极板的制造方法，其特征在于，
所述金属双极板包括金属基板以及在所述金属基板上依次形成的过渡层和耐蚀层，所述金属双极板在80℃的0.5mM H2SO4+0.1ppm HF溶液中进行24h恒电位测试以后，腐蚀电流密度在5×10-8A/cm2以下；
所述制造方法包括以下步骤：
预处理：对所述金属基板进行机械打磨和清洗；
形成过渡层：对所述金属基板进行化学镀或电镀，以在所述金属基板表面形成所述过渡层；
形成耐蚀层：对具有过渡层的金属基板进行物理气相沉积，以在所述过渡层表面形成所述耐蚀层。
6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，
所述金属基板包含铝、镁、钛、铁、铜中的至少一种；和/或，
所述过渡层包含镍和/或铬；和/或，
所述耐蚀层包含钽。
7.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述物理气相沉积的方式为磁控溅射或离子镀。
8.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，采用化学镀在所述金属基板上形成所述过渡层，化学镀药水包含硫酸镍和/或铬酸酐。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述化学镀药水中硫酸镍的浓度为0.05～0.09mol/L，铬酸酐的浓度为0.3～0.6mol/L。
10.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在形成过渡层后，对所述过渡层进行干燥，干燥温度为40～70℃，干燥时间为15～40min。
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN107171003A (zh) * | 2017-06-15 | 2017-09-15 | 常州翊迈新材料科技有限公司 | 导电超耐蚀的功能涂层材料 |
| CN109728307A (zh) * | 2017-10-27 | 2019-05-07 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种基于碳膜修饰的金属双极板的制备及双极板和应用 |
| CN112993298A (zh) * | 2019-12-14 | 2021-06-18 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种燃料电池金属双极板双功能涂层 |
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