一種金屬雙極板及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，特別是指一種金屬雙極板及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氫燃料電池(PEFC)用金屬雙極板具有薄、輕、阻氣性良好和易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，不銹鋼具有良好的防腐蝕性能，是用于燃料電池雙極板的較好材料，但因其表面有氧化鈍化層，與膜電極的接觸電阻很大，阻礙了電能的輸出，因此不銹鋼表面需要進(jìn)行處理，一般是在基板表面沉積保護(hù)薄膜，保證較小的接觸電阻和較好的抗腐蝕能力。
[0003]用于不銹鋼表面涂覆的材料可分為貴金屬、金屬導(dǎo)電陶瓷化合物、碳類(lèi)膜等。然而，金屬導(dǎo)電陶瓷化合物(如氮化鉻、硼化鈦和氧化銦)和碳類(lèi)膜因其自身材料的導(dǎo)電性、耐腐蝕性低于貴金屬，以及材料制備工藝的復(fù)雜程度，在實(shí)際應(yīng)用上有較大的困難。目前，不銹鋼極板上沉積貴金屬，如金，是較成熟且被試驗(yàn)驗(yàn)證使雙極板具有足夠使用壽命的方法，然而，整個(gè)雙極板表面都涂覆有貴金屬，存在著成本高的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)中也有先將不銹鋼板用化學(xué)或物理沉積的方法按一定圖形沉積一層金，然后再進(jìn)行沖壓成型、焊接等工藝，這種方法雖然可以降低材料成本，但存在著沖壓成型以及焊接過(guò)程中鍍金層會(huì)遭到破壞的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種金屬雙極板及其制備方法，極大地節(jié)省了貴金屬的用量，降低成本，適合大規(guī)模應(yīng)用。
[0005]基于上述目的本發(fā)明提供的金屬雙極板，包括不銹鋼基片和和貴金屬層，所述不銹鋼基片的表面包括多個(gè)平行的溝槽和凸部，所述不銹鋼基片的同一表面相鄰兩個(gè)溝槽的連接部分為凸部，所述貴金屬層鍍?cè)诮饘匐p極板表面的凸部。
[0006]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述貴金屬層的厚度為1nm?200nm，所述貴金屬層的覆蓋面積為不銹鋼基片總面積的5%?50%。
[0007]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述不銹鋼基片的同一凸部上的貴金屬層的形狀為一個(gè)長(zhǎng)條形，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，所述不銹鋼基片的同一凸部上的貴金屬層的形狀為多個(gè)分散的矩形。
[0008]所述金屬雙極板的厚度為0.05mm?0.3mm,所述溝槽的深度為0.4?1.2mm,所述溝槽的頂部開(kāi)口寬度為1.5?1.7mm，所述溝槽的槽底寬度為1.1?1.3mm。
[0009]本發(fā)明還提供了一種金屬雙極板的制備方法，包括以下步驟:
[0010](I)將耐酸感光油墨噴涂到?jīng)_壓成型的不銹鋼基片的表面，待所述耐酸感光油墨靜置流平后烘干；
[0011](2)將光刻掩膜版覆蓋在噴涂耐酸感光油墨的不銹鋼基片表面，所述光刻掩膜版的透光區(qū)域位于不銹鋼基片的凸部，所述光刻掩膜版除透光區(qū)域以外的部分為不透光區(qū)域，校準(zhǔn)后進(jìn)行曝光，曝光結(jié)束后，用堿性溶液作為顯影液除去金屬雙極板上曝光部分的耐酸感光油墨；
[0012](3)將顯影后的不銹鋼基片放入到貴金屬化合物的溶液中進(jìn)行貴金屬薄膜的電化學(xué)沉積，得到鍍有貴金屬層的不銹鋼基片；
[0013](4)將鍍有貴金屬層的不銹鋼基片再次曝光，曝光結(jié)束后，用堿性溶液清洗以除去耐酸感光油墨，接著用去離子水清洗若干遍，干燥；
[0014](5)將干燥后的不銹鋼基片放入到15%的硝酸溶液中鈍化，在40?50°C下鈍化10?20min，取出不銹鋼基片，用去離子水清洗，干燥。
[0015]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟(I)中，耐酸感光油墨的噴涂厚度為5-10 μ m，烘干溫度為70?80°C。
[0016]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述步驟(2)和⑷中，不銹鋼基片在紫外燈下照射，曝光時(shí)間與噴涂的耐酸感光油墨的厚度以及光強(qiáng)成正比例關(guān)系，所述堿性溶液為碳酸鈉溶液。
[0017]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述步驟(3)中，將不銹鋼基片放入到濃度為2g/L的氰化金溶液中進(jìn)行金薄膜的電化學(xué)沉積，溫度30?35°C，電流保持在0.0lA/cm2，持續(xù)時(shí)間Imin?20min，得到1nm?200nm厚度的鍍金層。
[0018]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述沖壓成型的不銹鋼基片為將不銹鋼基片沖壓成多個(gè)平行溝槽，形成流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，所述不銹鋼基片的邊長(zhǎng)為IlcmX 11cm，厚度為0.05mm?
0.3mmο
[0019]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述步驟(I)之前還包括預(yù)處理步驟，將不銹鋼基片先在乙醇或丙酮超聲清洗，接著在酸性溶液中進(jìn)行化學(xué)拋光。
[0020]從上面所述可以看出，本發(fā)明提供的金屬雙極板及其制備方法具有以下積極效果:
[0021]首先，本發(fā)明提供的金屬雙極板在其凸部鍍有貴金屬層，即在金屬雙極板與電極接觸的部位具有貴金屬層，在金屬雙極板不與電極接觸的部位，采用化學(xué)鈍化的方式形成化學(xué)鈍化層，以保護(hù)金屬雙極板，達(dá)到較好的防腐蝕效果，如作為氣體通道的溝槽，這樣不僅保證了金屬雙極板具有較小接觸電阻和較好的抗腐蝕能力，而且局部鍍貴金屬層極大地節(jié)省了貴金屬的用量，降低金屬雙極板的制備成本。
[0022]其次，本發(fā)明提供的金屬雙極板的制備方法采用顯影技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)在金屬雙極板的表面局部鍍貴金屬層，操作簡(jiǎn)單易行，適合大規(guī)?；瘧?yīng)用。
[0023]最后，本發(fā)明提供的金屬雙極板的制備方法是將不銹鋼基片先進(jìn)行沖壓及焊接工藝形成流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，再在金屬雙極板的表面鍍貴金屬層，避面沖壓及焊接工藝對(duì)貴金屬鍍層的破壞，保護(hù)貴金屬鍍層的完整性，避免金屬雙極板的貴金屬鍍層局部破損而引起的腐蝕。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明實(shí)施例金屬雙極板的平面示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實(shí)施例金屬雙極板的溝槽截面圖；
[0026]圖3為本發(fā)明實(shí)施例金屬雙極板同一凸部的鍍金層為一個(gè)長(zhǎng)條形的示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明實(shí)施例金屬雙極板同一凸部的鍍金層為多個(gè)分散的矩形的示意圖；
[0028]圖5為本發(fā)明實(shí)施例金屬雙極板與石墨雙極板組裝的單膜電池的極化曲線對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0030]實(shí)施例1
[0031]步驟1，如圖1所示，其為本發(fā)明實(shí)施例金屬雙極板的平面示意圖，選取邊長(zhǎng)為IlcmX Ilcm、厚度為0.1mm的316L不銹鋼箔片I，將所述不銹鋼箔片I沖壓成多個(gè)平行溝槽2，形成流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。
[0032]如圖2所示，其為本發(fā)明實(shí)施例金屬雙極板的溝槽截面圖，在不銹鋼箔片I的同一表面的相鄰兩個(gè)溝槽2的連接部分為凸部3，所述溝槽2的截面為梯形，不銹鋼箔片I的一個(gè)表面的凸部3的頂部為另一個(gè)表面的溝槽2的底部。需要說(shuō)明的是，不銹鋼箔片I的溝槽為氣體通道，凸部與電極接觸。其中，溝槽2的深度為0.4mm，溝槽2的頂部開(kāi)口寬度為
1.5mm，溝槽2的底部寬度為1.1mm。
[0033]步驟2，將所述不銹鋼箔片用乙醇或丙酮超聲清洗，接著在酸性溶液中進(jìn)行化學(xué)拋光，除去不銹鋼箔片表面的鈍化層。
[0034]步驟3，將耐酸感光油墨噴涂到不銹鋼箔片的表面，噴涂厚度為5 μ m，待所述感光油墨靜置流平后，放入到溫度為80°C的烘箱中烘干。
[0035]步驟4，將光刻掩膜版覆蓋在噴涂耐酸感光油墨的不銹鋼箔片的表面，在本實(shí)施例中，光刻掩膜版的透光區(qū)域的形狀為多個(gè)平行的長(zhǎng)條形，長(zhǎng)條形的圖案尺寸為90mmX0.8_，所述光刻掩膜版的透光區(qū)域均覆蓋在不銹鋼箔片的凸部，所述光刻掩膜版除透光區(qū)域以外的部分為不透光區(qū)域。將不銹鋼箔片的光刻掩膜版校準(zhǔn)后放在紫外燈下曝光，曝光時(shí)間與光強(qiáng)及噴涂的耐酸感光油墨的厚度成正比例關(guān)系，曝光結(jié)束后，位于光刻掩膜版透光區(qū)域下的耐酸感光油墨發(fā)生光固化，用碳酸鈉溶液作為顯影液，溶解掉金屬雙極板上曝光部分的耐酸感光油墨。
[0036]步驟5，將顯影后的不銹鋼箔片放入到濃度為2g/L的氰化金溶液中進(jìn)行金薄膜的電化學(xué)沉積，溫度為30°C，電流保持在0.0lA/cm2，持續(xù)時(shí)間20min，得到200nm厚度的鍍金層。如圖3所示，其為本發(fā)明實(shí)施例金屬雙極板凸部長(zhǎng)條形鍍金層的示意圖，鍍金層4位于不銹鋼箔片I的凸部3，所述鍍金層4的形狀為長(zhǎng)條形，尺寸為90_X0.8_，與光刻掩膜版的透光區(qū)域形狀相同，即鍍金層的形狀由光刻掩膜版的透光區(qū)域的形狀決定。
[0037]步驟6，將含有鍍金層的不銹鋼箔片在紫外燈下再次曝光，曝光結(jié)束后，用碳酸鈉溶液清洗以除去耐酸感光油墨，接著用去離子水清洗若干遍并干燥；
[0038]步驟7，將干燥后的不銹鋼箔片放入到濃度為15%的硝酸溶液中，在50°C下鈍化lOmin，取出不銹鋼箔片，用去離子水清洗并干燥。
[0039]本實(shí)施制備得到的不銹鋼箔片的鍍金層的覆蓋面積為總面積的35%，在不銹鋼箔片的同一凸部上的鍍金層的形狀為一個(gè)長(zhǎng)條形，即在金屬雙極板與電極接觸的部位具有鍍金層，保證較小的接觸電阻和較好的抗腐蝕能力，在金屬雙極板不與電極接觸的部位，采用鈍化的方式達(dá)到較好的防腐蝕的效果，如作為氣體通道的溝槽，這樣能減少貴金屬的用量。
[0040]實(shí)施例2
[0041]步驟1，如圖1所示，其為本發(fā)明實(shí)施例金屬雙極板的平面示意圖，選取邊長(zhǎng)為IlcmX IIcm、厚度為0.2mm的316L不銹鋼箔片I為基板，將所述不銹鋼箔片I沖壓成多個(gè)平行溝槽2，形成流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。
[0042]如圖2所示，其為本發(fā)明實(shí)施例金屬雙極板的溝槽截面圖，在不銹鋼箔片I的同一表面的相鄰兩個(gè)溝槽2的連接部分為凸部3。不銹鋼箔片I的一個(gè)表面的凸部3的頂部為另一個(gè)表面的溝槽2的底部，所述溝槽2的截面為梯形。需要說(shuō)明的是，不銹鋼箔片I的溝槽2為氣體通道，凸部3與電極接觸。其中，溝槽2的深度為0.8mm，溝槽2的頂部開(kāi)口寬度為1.6mm，溝槽2的底部寬度為1.2mm。
[0043]步驟2，將所述不銹鋼箔片用乙醇或丙酮超聲清洗，接著在酸性溶液中進(jìn)行化學(xué)拋光，除去不銹鋼箔片表面的鈍化層。
[0044]步驟3，將耐酸感光油墨噴涂到不銹鋼箔片的表面，噴涂厚度為10 μ m，待所述感光油墨靜置流平后，放入到溫度為80°C的烘箱中烘干。
[0045]步驟4，將光刻掩膜版覆蓋在噴涂耐酸感光油墨的不銹鋼箔片的表面，在本實(shí)施例中，光