專利名稱：一種質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面改性處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板，具體涉及不銹鋼雙極板表面改性處理方法。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)、氫或凈化重 整氣為燃料、空氣或氧氣為氧化劑，將燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。雙 極板是燃料電池關(guān)鍵部件之一，它一般包括極板和流場。極板在燃料電池中主要功能是1) 收集電流，因而必須是電的良導(dǎo)體；2)保證電池溫度分布均勻和散熱方案的實施，須是熱 的良導(dǎo)體；3)表面電阻低，減少電池內(nèi)阻；4)具有一定的機械強度和剛度，在電池操作環(huán)境 下不發(fā)生蠕變；5)燃料和氧化劑非穿透性，能夠分隔氧化劑與還原劑；6)在電池電化學(xué)環(huán) 境中耐腐蝕；7)低密度性，以提高電池的比功率密度等。流場則是均勻分配燃料與氧化劑， 保證電流密度分布均勻，避免局部過熱，并使反應(yīng)尾氣能排出電池生成水。在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中，雙極板不僅占據(jù)體積和重量的主要部分，而 且占據(jù)生產(chǎn)成本相當(dāng)大的比例，成為阻礙質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化的關(guān)鍵部件之一。傳 統(tǒng)的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)雙極板是炭板，炭板脆性大、機械強度差，加工成本都比 較昂貴。金屬板不僅具有足夠的機械強度，而且易于加工成型和批量生產(chǎn)，是最有潛力的 碳板替代材料。但未經(jīng)處理的金屬板在電池環(huán)境下易發(fā)生腐蝕，而腐蝕形成的金屬離子在 質(zhì)子交換膜內(nèi)沉積，降低質(zhì)子通過能力而嚴(yán)重影響電池性能，因而金屬板必須進(jìn)行改性處 理?，F(xiàn)有技術(shù)中,Fronk Matthew Howard et al (US6372376)提出了鋁、鈦基體上涂覆復(fù)合 導(dǎo)電層(炭材或?qū)щ娋酆衔?非水溶性聚合物)的方法，該方法雖然操作比較方便，但提高 電導(dǎo)率后復(fù)合導(dǎo)電層的應(yīng)力集中問題不易解決。另有專利報道了對鋁兩側(cè)覆蓋導(dǎo)電聚合物 的改性方法，為增強基體與導(dǎo)電聚合物的結(jié)合力，必須對鋁表面進(jìn)行機械處理。王宇新等 (CN01144972)公開了在石墨蠕蟲層中間夾附金屬薄板或聚吡咯或聚苯胺網(wǎng)絡(luò)層的加工方 法，該方法的特征在于在兩層石墨蠕蟲中放置金屬板后壓力成型或石墨蠕蟲壓力成型后在 中間空隙中電聚合聚苯胺或聚吡咯。由于極板的整體結(jié)構(gòu)是石墨蠕蟲，存在機械強度問題。 李謀成等在“質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板”(中國專利號02155187)中公開了金屬表 面涂覆導(dǎo)電氧化物的改性方法。曾憲林等在“質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板制作方法”(中國 專利號=01118343. 8)中提出了注塑成型的樹脂表面鍍覆鎳、鈦、金等的制作方法。綜上，由于炭板脆性大、機械強度差，同時加工成本都比較昂貴，其大規(guī)模商業(yè)化 應(yīng)用存在極大的困難。鋁板特別活潑，在PEMFC環(huán)境下極易腐蝕，迄今為止還沒有合適的改 性方法，鈦板本身的氧化膜顯著增加內(nèi)阻，通常是電鍍金等貴金屬，批量生產(chǎn)時加工成本也 不易接受。易于加工成型及批量生產(chǎn)的薄層不銹鋼板是最有潛力的極板替代材料，但薄層 不銹鋼板在PEMFC環(huán)境下同樣存在腐蝕問題。國內(nèi)外公開的文獻(xiàn)中，雙極板的研究集中在 貴金屬鍍層和利用多弧鍍膜技術(shù)制備導(dǎo)電涂層上。因此，開發(fā)一種新型的既能提高不銹鋼 板在電池環(huán)境下的耐蝕性，又不影響其電性能的改性方法，對延長雙極板的使用壽命顯得非常必要，并對質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程具有重要的實際意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡單易行的質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的改性 方法，改善不銹鋼雙極板在燃料電池環(huán)境中的耐蝕性。本發(fā)明技術(shù)方案是一種質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面改性處理方法， 包括用兩電極體系在離子液體中，用直流電鍍技術(shù)向不銹鋼雙極板表面沉積金屬，其特征 在于所述向不銹鋼雙極板表面沉積的金屬是金屬鈮，所述用兩電極體系在離子液體中，用 直流電鍍技術(shù)向不銹鋼雙極板表面沉積金屬鈮的方法包 括以下步驟a、用鋁粉將溶解在乙醚中的NbCl5還原為Nb3Cl8，鋁粉還原NbCl5過程中，鋁粉和 NbCl5的摩爾比為3 1 1 3 ；b、將a步驟制得的溶液轉(zhuǎn)移到含有適量質(zhì)量分?jǐn)?shù)氯化鈉的1-乙基-3-甲基咪唑 三氟甲磺酸鹽液體中配置成離子液體，在離子液體中，鋁粉、NbC15和1-乙基-3-甲基咪唑 三氟甲磺酸鹽三者的比例在3 1 1 1 3 10 ；以1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺 酸鹽液體計，氯化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3% ；C、以經(jīng)過預(yù)處理的不銹鋼雙極板為陰極，純鈮板為陽極，在b步驟配置成的離 子液體中，用直流電鍍的方法向不銹鋼雙極板表面沉積金屬鈮，直流電鍍的電壓范圍為 12V 29V，電鍍時間為10分鐘 12小時。本發(fā)明所述一種質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面改性處理方法，其特征在 于所述向不銹鋼雙極板表面沉積金屬鈮的方法的步驟b配置的離子液體置于通Ar氣的容 器中，在Ar氣保護(hù)環(huán)境下向不銹鋼雙極板表面沉積金屬鈮。本發(fā)明所述一種質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面改性處理方法，其特征在 于所述改性不銹鋼雙極板表面金屬鈮含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 35% 8%。本發(fā)明所述一種質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面改性處理方法，其特征在 于所述經(jīng)過預(yù)處理的不銹鋼雙極板是經(jīng)打磨、水洗、醇洗和脫脂吹干處理。本發(fā)明具有如下有益效果1、經(jīng)本發(fā)明滲鈮改性后不銹鋼雙極板在模擬電池陽極環(huán)境下的腐蝕電位提高 600mV,陰極環(huán)境中提高500mV，耐蝕性顯著提高。2、本發(fā)明僅是將適量金屬鈮沉積在不銹鋼板表面，極板的主體仍是不銹鋼板，因 而極板仍有足夠的機械強度。3.本發(fā)明利用直流電鍍技術(shù)，在不銹鋼板上直接沉積適量金屬鈮對其進(jìn)行改性， 制備工藝簡單，加工成本低，對降低質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的生產(chǎn)成本、加速其商業(yè)化 進(jìn)程具有重要的實際意義。4.本發(fā)明沉積過程中使用的沉積液是綠色環(huán)保的離子液體，不會造成污染。5.本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用前景。利用直流電鍍的方法在不銹鋼板表面直接沉積金 屬鈮，能顯著提高不銹鋼板的耐蝕性，可批量生產(chǎn)，對即將進(jìn)入商業(yè)市場的燃料電池而言， 具有廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明適用于低溫燃料電池用不銹鋼雙極板的表面改性，特別適用 質(zhì)子交換膜燃料電池薄層不銹鋼雙極板的表面改性。


本發(fā)明共有附圖二幅，其中圖1是用本發(fā)明的方法改性處理的304不銹鋼雙極板和不做改性處理的304不銹鋼雙極板在模擬電池陽極環(huán)境(溫度80°C，腐蝕液0. 5mol/L H2S04+2ppm F-溶液，連續(xù)通 H2兩小時后放入試樣)中的極化曲線對比圖。圖2是用本發(fā)明的方法改性處理的304不銹鋼雙極板和不做改性處理的304不銹 鋼雙極板在模擬電池陽極環(huán)境(溫度80°C，腐蝕液0. 5mol/L H2S04+2ppm F-溶液，連續(xù)通 空氣30min后放入式樣)中的極化曲線對比圖。附圖中，帶圓點的曲線是用本發(fā)明的方法改性處理后的304不銹鋼雙極板的極化 曲線，不帶圓點的曲線是不做改性處理后的304不銹鋼雙極板的極化曲線。
具體實施例方式實施例1商用304不銹鋼經(jīng)常規(guī)打磨、水洗、醇洗、脫脂吹干后制成雙極板，以經(jīng)過預(yù)處理 的不銹鋼雙極板為陰極，純鈮板為陽極，放入預(yù)先通Ar氣的含有氯化鈉的1-乙基-3-甲 基咪唑三氟甲磺酸鹽液體配置成的離子液體(emimOTf)中，離子液體中各物質(zhì)的比例是 Al NbC15 emimOTf的比例控制在1 3 10。離子液體中添加3%的NaCl。將離子 液體的溫度控制在155°C，用直流電源電沉積鈮，先在15. 9V下恒電壓沉積12min，再升壓到 21. 8V，沉積lh20min，清洗后得到改性后雙極板。改性后雙極板和不做改性處理的雙極板在 模擬電池陽極環(huán)境(溫度80°C，腐蝕液0. 5mol/L H2S04+2ppm F溶液，連續(xù)通H2兩小時或空 氣30min后放入式樣)中的極化曲線對比見附圖。極化曲線對比顯示，經(jīng)滲鈮改性后304 不銹鋼雙極板的耐蝕性顯著提高。實施例2與實施例1不同之處在于離子液體中各物質(zhì)的比例是A1 NbCl5 emimOTf的比例控制在2. 4 1 1. 3， 離子液體中NaCl中的添加量為2%。將離子液體的溫度控制在70°C，用直流電源電沉積鈮， 先在28. 7V下恒電壓沉積30min，再降壓到19. 6V，沉積10h，清洗后得到試樣。結(jié)果滲鈮改性后304不銹鋼在模擬腐蝕液中腐蝕電位也顯著提高，鈍化電流密 度減小，耐蝕性提高。實施例3與實施例2不同之處在于離子液體中各物質(zhì)的比例是Al NbCl5 emimOTf的比例控制在3 2 4，離 子液體中NaCl中的添加量為1%，溫度控制在130°C。電沉積時先在28. 7V下恒電壓沉積 20min，再降壓到18. 0V，沉積13min，清洗后得到試樣。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面改性處理方法，包括用兩電極體系在離 子液體中，用直流電鍍技術(shù)向不銹鋼雙極板表面沉積金屬，其特征在于所述向不銹鋼雙極 板表面沉積的金屬是金屬鈮，所述用兩電極體系在離子液體中，用直流電鍍技術(shù)向不銹鋼 雙極板表面沉積金屬鈮的方法包括以下步驟a、用鋁粉將溶解在乙醚中的NbC15還原為Nb3C18，鋁粉還原NbC15過程中，鋁粉和 NbCl5的摩爾比為3 1 1 3 ；b、將a步驟制得的溶液轉(zhuǎn)移到含有適量質(zhì)量分?jǐn)?shù)氯化鈉的1-乙基-3-甲基咪唑三氟 甲磺酸鹽液體中配置成離子液體，在離子液體中，鋁粉、NbC15和1-乙基-3-甲基咪唑三氟 甲磺酸鹽三者的比例在3 1 1 1 3 10 ；以1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽 液體計，氯化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3% ；c、以經(jīng)過預(yù)處理的不銹鋼雙極板為陰極，純鈮板為陽極，在b步驟配置成的離子液 體中，用直流電鍍的方法向不銹鋼雙極板表面沉積金屬鈮，直流電鍍的電壓范圍為12V 29V,電鍍時間為10分鐘 12小時。
2.按照權(quán)利要求1所述一種質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面改性處理方法，其 特征在于所述向不銹鋼雙極板表面沉積金屬鈮的方法的步驟b配置的離子液體置于通Ar 氣的容器中，在Ar氣保護(hù)環(huán)境下向不銹鋼雙極板表面沉積金屬鈮。
3.按照權(quán)利要求1所述一種質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面改性處理方法，其 特征在于所述改性不銹鋼雙極板表面金屬鈮含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 35% 8%。
4.按照權(quán)利要求1所述一種質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面改性處理方法，其 特征在于所述經(jīng)過預(yù)處理的不銹鋼雙極板是經(jīng)打磨、水洗、醇洗和脫脂吹干處理。
全文摘要
一種質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面改性處理方法，包括用兩電極體系在離子液體中，用直流電鍍技術(shù)向不銹鋼雙極板表面沉積適量金屬鈮，沉積金屬鈮的方法包括用鋁粉將溶解在乙醚中的NbCl5還原為Nb3Cl8，將制得的溶液轉(zhuǎn)移到含有適量質(zhì)量分?jǐn)?shù)氯化鈉的1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽液體中配置成離子液體，以不銹鋼雙極板為陰極，純鈮板為陽極，在離子液體中向不銹鋼雙極板表面沉積金屬鈮，本發(fā)明的有益效果是不銹鋼雙極板耐蝕性顯著提高；極板仍有足夠的機械強度；改性工藝簡單，加工成本低，對加速商業(yè)化進(jìn)程具有重要的實際意義。使用的沉積液無污染。
文檔編號H01M4/88GK102005580SQ20101053105
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者曹彩紅, 梁成浩, 黃乃寶 申請人:大連海事大學(xué)