[发明专利]质子交换膜燃料电池金属双极板表面涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池的制备方法，尤其是一种质子交换膜燃料电池金属双极板表面涂层的制备方法。

背景技术

以氢能为代表的新型高效清洁能源技术逐渐成为人类社会生存与发展选择趋势。燃料电池技术是以氢能为载体的一种高效、环境友好的能量转换方式。它的应用前景极为广阔，包括交通工具、分布式电站、UPS、移动电源和便携式电源等诸多领域。其中，质子交换膜(PEM)燃料电池凭借较低的操作温度、启动快、稳定、寿命长、适用多种燃料等优点，已成为一项世界各国都在重点发展的清洁能源技术。

双极板是PEM燃料电池的关键多功能部件，在电池中起到集流导电、散热、均匀分散反应介质和冷却剂、支撑膜电极、防止反应介质内漏和外漏等多重功能，占电堆重量的70％～80％，成本的50％以上。传统的石墨类材料双极板由于机械性能、耐腐蚀性、重量、体积、透气性等材料问题已逐渐成为制约PEM燃料电池技术发展的瓶颈。

与石墨类材料相比，金属材料具有机械强度高，致密，导电、散热性能好等优点。金属双极板的加工成型可采用薄板冲压或滚压方法进行，不但适合批量生产、提高生产效率，而且还可降低成本，提高电池堆比功率和可靠性。但是，在PEM燃料电池中应用金属双极板，必须解决金属双极板在PEM燃料电池工作条件(氧化、还原气氛，一定的电位与酸性电解质)下的三大技术难题，即抗腐蚀性、接触电阻和成本。复杂的电池内部环境会使金属双极板发生腐蚀，所产生金属阳离子会进入质子交换膜内占据磺酸基团位不但可使质子传导电能力降低，而且还会加速质子交换膜的降解，造成电池性能和寿命严重衰减。接触电阻高会使电池堆能量转化效率降低。而成本因素直接关系到该项技术的市场化前景。

较早使用的金属双极板主要是钛板和铌板，随着技术的进步和低成本的要求，薄层金属双极板的研究趋于多样化，包括铁基类、镍基类和轻金属类等合金材料。然而，上述多数金属材料在PEMFC运行环境下易发生腐蚀。金属双极板表面镀金处理不但可以显著提高双极板的抗腐蚀性，而且具有较低的界面接触电阻，但是成本较高。在金属双极板表面形成氮化物、硼化物涂层也可具有优异的抗腐蚀性和地接触电阻特性，但是材料和加工成本仍相对较高。还有研究显示含Ni、Cr的表面涂层具有良好的抗腐蚀性能，但是因为含有Ni、Cr等成份仍使涂层成本相对较高。在金属双极板表面形成氧化物涂层或直接利用金属双极板材料本身形成表面氧化物涂层虽然可以提高双极板抗腐蚀性能，也具有相对较低的成本，但绝大多数的氧化物导电性能差，会带来较大的接触电阻。因此，高耐蚀性、低接触电阻、导电、低成本表面涂层已成为PEM燃料电池金属双极板技术开发的关键。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

为了实现PEM燃料电池金属双极板表面涂层高耐蚀性、低接触电阻、导电、低成本等目的，本发明提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板表面涂层的制备方法，利用本发明的方法，不但采用成本较低的金属材料制作金属双极板，而且表面涂层能实现高耐蚀性、低接触电阻等效果。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板表面涂层的制备方法，包括如下方法：

根据本发明，采用喷雾热解法制备SnO₂:F导电涂层，该方法包括如下步骤：

1)涂层溶液制备；

将SnCl₂·xH₂O、氢氟酸或氟化氨、甲醇或乙醇或异丙醇、去离子水、盐酸按表1中比例配制成涂层溶液，70～90℃搅拌10～20min；

表1

另外，加入少许浓度36％的HCl；

2)金属双极板制备；

采用铁系、镍系合金经冲压、滚压、光刻腐蚀加工成金属双极板；将金属双极板放入有超声振荡的热碱或丙酮的有机溶液中进行除油处理；除油后的金属双极板放入稀硫酸中溶液中酸洗，除去表面金属杂质和氧化层，最后，在60～80℃环境烘干；

3)喷涂、热解导电涂层制备及后处理；

使用喷枪将涂层溶液均匀喷涂到金属双极板表面，热解制备SnO₂:F表面涂层；调节喷涂气压0.3～0.8Mpa、溶液喷涂速率10～20ml/min；

喷涂过程中，金属双极板同时加热，加热温度为380～480℃，使前躯体溶液热解形成SnO₂:F涂层；喷涂、热解过程可在N₂保护气氛下进行；