CN117543038B - 一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池双极板，特别是涉及质子交换膜燃料电池双极板的改性方法。本发明公开了一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺，包括在基板表面沉积碳纳米管复合导电浆的步骤。本发明的质子交换膜燃料电池双极板的改性方法，以预处理的碳纳米管来包裹纳米二氧化锡粉体配合吡咯制成复合导电浆，沉积到基板表面，可以显著提高双极板腐蚀电位的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池双极板，特别是涉及质子交换膜燃料电池双极板的改性方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池凭借其功率密度较高和污染较小的特点，在未来的应用领域（比如车载电池）具备了相当广阔的应用前景。质子交换膜燃料电池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell， PEMFC），又称固体高分子电解质燃料电池（Polymer ElectrolyteMembrane Fuel Cells），是一种以含氢燃料与空气作用产生电力与热力的燃料电池，运作温度在 50℃ 至 100℃，无需加压或减压，以高分子质子交换膜为传导媒介，没有任何化学废液，发电后产生纯水和热。
双极板是提高质子交换膜燃料电池的功率密度，促进其更广泛的商业应用的关键之一，制备性能更高、耐久性更好、成本更低的质子交换膜燃料电池具有重要意义。
发明内容
本发明提出了一种腐蚀电位稳定性好的基于不锈钢等基材的质子交换膜燃料电池双极板的改性制备工艺。
本发明在于公开一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺，包括在基板表面沉积碳纳米管复合导电浆的步骤。
在本发明的一些实施方式中，包括沉积碳纳米管、纳米SO2和吡咯制备的复合导电浆的步骤。
在本发明的一些实施方式中，所述碳纳米管为硫酸预处理的碳纳米管。
在本发明的一些实施方式中，所述复合导电浆的制备步骤包括以下步骤：
S21，碳纳米管预处理；
S22，制备分散液；
S23，将所述碳纳米和分散液混合，得到复合导电浆。
在本发明的一些实施方式中，S21中，用8-15倍（v/w）的50-80%体积分数的硫酸处理2-6h；优选，S21中，用8-15倍（v/w）的30-70%体积分数的硫酸处理2-6h。
在本发明的一些实施方式中，S22中，分散液中二氧化锡的w/v含量为1-5%。
在本发明的一些实施方式中，S23中，分散液中还含有0.5-1.5%（w/v）的表面活性剂，优选为1.0-1.2%（w/v）。
在本发明的一些实施方式中，S23中，所述碳纳米和分散液的比例（w/v）为3-10：100，优选为4-6：100。
在本发明的一些实施方式中，采用恒电流反应沉积所述复合导电浆，优选1.0-2.0mA/cm恒电流反应30-60min。
在本发明的一些实施方式中，还包括：
S01，基板预处理步骤。
在本发明的一些实施方式中，S01中，所述预处理为高压气体除尘，丙酮清洗、干燥。
有益效果：
本发明的质子交换膜燃料电池双极板的改性方法，以预处理的碳纳米管来包裹纳米二氧化锡粉体配合吡咯制成复合导电浆，沉积到基板表面，可以显著提高腐蚀电位的稳定性。
本发明的质子交换膜燃料电池双极板的改性方法，碳纳米管的预处理程度、碳纳米管和纳米二氧化锡粉体的含量及表面活性剂均显著影响沉积到基板表面的复合导电浆的性能。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
若非特别指出，实施例和对比例为组分、组分含量、制备步骤、制备参数相同的平行试验。所述不锈钢为304不锈钢，所述碳纳米管直径2-8nm、管束直径50-100nm。所述纳米二氧化锡粉体粒径为50-60nm，比表面积为50-100m2/g。
实施例1
一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺
（1）基板预处理
取不锈钢板，高压气体除尘，丙酮清洗、干燥；备用；
（2）制备导电浆
取碳纳米管，用10倍（v/w）的60%体积分数的硫酸处理3h，期间持续搅拌；过滤，去离子水洗、干燥；备用；
取含有1%（w/v）的吐温80的吡咯，加入3%（w/v）纳米二氧化锡粉体，超声分散；备用；
取处理过的碳纳米管，按5：100（w/v）的比例，与二氧化锡吡咯分散液混合，1000rpm搅拌1h；
（3）沉积导电浆
取处理好的不锈钢板作为阳极，取铂片作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，1.5mA/cm2恒电流反应40min，得到表面改性的质子交换膜燃料电池双极板。
实施例2
一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺
（1）基板预处理
取不锈钢板，高压气体除尘，丙酮清洗、干燥；备用；
（2）制备导电浆
取碳纳米管，用8倍（v/w）的50%体积分数的硫酸处理6h，期间持续搅拌；过滤，去离子水洗、干燥；备用；
取含有1%（w/v）的吐温80的吡咯，加入3%（w/v）纳米二氧化锡粉体，超声分散；备用；
取处理过的碳纳米管，按5：100（w/v）的比例，与二氧化锡吡咯分散液混合，1000rpm搅拌1h；
（3）沉积导电浆
取处理好的不锈钢板作为阳极，取铂片作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，1.5mA/ cm2恒电流反应40min，得到表面改性的质子交换膜燃料电池双极板。
实施例3
一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺
（1）基板预处理
取不锈钢板，高压气体除尘，丙酮清洗、干燥；备用；
（2）制备导电浆
取碳纳米管，用15倍（v/w）的70%体积分数的硫酸处理2h，期间持续搅拌；过滤，去离子水洗、干燥；备用；
取含有1%（w/v）的吐温80的吡咯，加入3%（w/v）纳米二氧化锡粉体，超声分散；备用；
取处理过的碳纳米管，按5：100（w/v）的比例，与二氧化锡吡咯分散液混合，1000rpm搅拌1h；
（3）沉积导电浆
取处理好的不锈钢板作为阳极，取铂片作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，1.5mA/ cm2恒电流反应40min，得到表面改性的质子交换膜燃料电池双极板。
实施例4
一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺
（1）基板预处理
取不锈钢板，高压气体除尘，丙酮清洗、干燥；备用；
（2）制备导电浆
取碳纳米管，用10倍（v/w）的60%体积分数的硫酸处理3h，期间持续搅拌；过滤，去离子水洗、干燥；备用；
取含有1.2%（w/v）的吐温80的吡咯，加入3%（w/v）纳米二氧化锡粉体，超声分散；备用；
取处理过的碳纳米管，按5：100（w/v）的比例，与二氧化锡吡咯分散液混合，1000rpm搅拌1h；
（3）沉积导电浆
取处理好的不锈钢板作为阳极，取铂片作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，1.5mA/ cm2恒电流反应40min，得到表面改性的质子交换膜燃料电池双极板。
实施例5
一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺
（1）基板预处理
取不锈钢板，高压气体除尘，丙酮清洗、干燥；备用；
（2）制备导电浆
取碳纳米管，用10倍（v/w）的30%体积分数的硫酸处理2h，期间持续搅拌；过滤，去离子水洗、干燥；备用；
取含有1%（w/v）的吐温80的吡咯，加入3%（w/v）纳米二氧化锡粉体，超声分散；备用；
取处理过的碳纳米管，按5：100（w/v）的比例，与二氧化锡吡咯分散液混合，1000rpm搅拌1h；
（3）沉积导电浆
取处理好的不锈钢板作为阳极，取铂片作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，1.5mA/ cm2恒电流反应40min，得到表面改性的质子交换膜燃料电池双极板。
实施例6
一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺
（1）基板预处理
取不锈钢板，高压气体除尘，丙酮清洗、干燥；备用；
（2）制备导电浆
取碳纳米管，用10倍（v/w）的80%体积分数的硫酸处理5h，期间持续搅拌；过滤，去离子水洗、干燥；备用；
取含有1%（w/v）的吐温80的吡咯，加入3%（w/v）纳米二氧化锡粉体，超声分散；备用；
取处理过的碳纳米管，按5：100（w/v）的比例，与二氧化锡吡咯分散液混合，1000rpm搅拌1h；
（3）沉积导电浆
取处理好的不锈钢板作为阳极，取铂片作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，1.5mA/ cm2恒电流反应40min，得到表面改性的质子交换膜燃料电池双极板。
实施例7
一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺
（1）基板预处理
取不锈钢板，高压气体除尘，丙酮清洗、干燥；备用；
（2）制备导电浆
取碳纳米管，用10倍（v/w）的60%体积分数的硫酸处理3h，期间持续搅拌；过滤，去离子水洗、干燥；备用；
取含有0.5%（w/v）的吐温80的吡咯，加入3%（w/v）纳米二氧化锡粉体，超声分散；备用；
取处理过的碳纳米管，按5：100（w/v）的比例，与二氧化锡吡咯分散液混合，1000rpm搅拌1h；
（3）沉积导电浆
取处理好的不锈钢板作为阳极，取铂片作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，1.5mA/ cm2恒电流反应40min，得到表面改性的质子交换膜燃料电池双极板。
实施例8
一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺
（1）基板预处理
取不锈钢板，高压气体除尘，丙酮清洗、干燥；备用；
（2）制备导电浆
取碳纳米管，用10倍（v/w）的60%体积分数的硫酸处理3h，期间持续搅拌；过滤，去离子水洗、干燥；备用；
取含有1%（w/v）的吐温80的吡咯，加入3%（w/v）纳米二氧化锡粉体，超声分散；备用；
取处理过的碳纳米管，按3：100（w/v）的比例，与二氧化锡吡咯分散液混合，1000rpm搅拌1h；
（3）沉积导电浆
取处理好的不锈钢板作为阳极，取铂片作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，1.5mA/ cm2恒电流反应40min，得到表面改性的质子交换膜燃料电池双极板。
实施例9
一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺
（1）基板预处理
取不锈钢板，高压气体除尘，丙酮清洗、干燥；备用；
（2）制备导电浆
取碳纳米管，用10倍（v/w）的60%体积分数的硫酸处理3h，期间持续搅拌；过滤，去离子水洗、干燥；备用；
取含有1%（w/v）的吐温80的吡咯，加入3%（w/v）纳米二氧化锡粉体，超声分散；备用；
取处理过的碳纳米管，按10：100（w/v）的比例，与二氧化锡吡咯分散液混合，1000rpm搅拌1h；
（3）沉积导电浆
取处理好的不锈钢板作为阳极，取铂片作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，1.5mA/ cm2恒电流反应40min，得到表面改性的质子交换膜燃料电池双极板。
对比例1
一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺，与实施例1的区别在于，碳纳米管未经硫酸处理。
对比例2
一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺，与实施例1的区别在于，碳纳米管与二氧化锡吡咯分散液的w/v比例为1：100。
实验例 腐蚀电位稳定性
取实施例和对比例的质子交换膜燃料电池双极板，在模拟燃料电池阴、阳极环境中80℃下加速浸泡800h，测定腐蚀电位。下降比例=（处理前的腐蚀电位-处理后的腐蚀电位）/处理后的腐蚀电位×100%，结果见表1。
表1 腐蚀电位稳定性
结果显示，实施例1-9的质子交换膜燃料电池双极板的腐蚀电位下降比例均显著低于对比例1和对比例2。实施例1-4中腐蚀电位下降比例显著优于实施例5-9，其中又以实施例1为最优。
以上对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种质子交换膜燃料电池的双极板的改性制备工艺，其特征在于，包括在基板表面沉积碳纳米管复合导电浆的步骤，所述复合导电浆的制备步骤包括以下步骤：
S21，碳纳米管预处理；
S22，制备分散液；
S23，将所述碳纳米管和分散液混合，得到复合导电浆；
所述碳纳米管预处理为硫酸预处理；所述S21中，以重量/体积计，用8-15倍的50-70%体积分数的硫酸处理2-6h；
S22中，以重量/体积计，所述分散液中二氧化锡的含量为1-5%，余量为含有表面活性剂的吡咯；以重量/体积计，所述表面活性剂在吡咯中的含量为1-1.5%；所述表面活性剂为吐温80；
S23中，以重量/体积计，所述碳纳米管和分散液的比例5：100。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板的改性制备工艺，其特征在于还包括：
S01，基板预处理步骤；
所述预处理为高压气体除尘，丙酮清洗、干燥。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板的改性制备工艺，其特征在于，采用恒电流反应沉积所述复合导电浆。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板的改性制备工艺，其特征在于，所述基板为304不锈钢，所述碳纳米管直径2-8nm、管束直径50-100nm，制备所述分散液的纳米二氧化锡粉体粒径为50-60nm，比表面积为50-100m2/g。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板的改性制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S01 基板预处理：
取不锈钢板，高压气体除尘，丙酮清洗、干燥；备用；
S02 制备导电浆：
取碳纳米管，以重量/体积计，用10倍的60%体积分数的硫酸处理3h，期间持续搅拌；过滤，去离子水洗、干燥；备用；
以重量/体积计，取含有1%的吐温80的吡咯，加入3%纳米二氧化锡粉体，超声分散；备用；
取处理过的碳纳米管，以重量/体积计，按5：100的比例，与二氧化锡吡咯分散液混合，1000rpm搅拌1h；
S03 沉积导电浆：
取处理好的不锈钢板作为阳极，取铂片作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，1.5mA/cm2恒电流反应40min，得到表面改性的质子交换膜燃料电池双极板。
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