一种双极板铝基合金材料及其制备工艺的制作方法

本发明涉及冶金领域，尤其涉及一种用于燃料电池的双极板铝基合金材料及其制备工艺。

背景技术：

1、燃料电池是一种高效、清洁的新能源技术，它将氢气和氧气反应产生电能和水蒸气。与传统燃油车相比，氢燃料电池车不会产生任何有害气体。同时，氢燃料电池车的续航里程更长，加注氢气也更方便。随着能源短缺、环境污染等问题的加剧，氢燃料电池以其零污染、高转化率等优势逐步成为电动汽车的主要动力来源。氢燃料电池技术在卫星、船舶、飞机等领域也得到了广泛应用，未来将成为清洁能源领域的重要发展方向。

2、然而，传统氢燃料电池运作过程中产生的高密度能量不可避免地削弱系统能量传递(例如热传递)的安全性。利用氢、电和热之间的协同作用来提高能源效率则需要对各种材料、介面和系统进行集成处理，导致电池框架的制备较复杂，成本亦较高。此外，在极端环境下，机械性能(例如耐腐蚀性、耐久性等)受限，燃料电池整体稳定性降低。

3、双极板是燃料电池中用于分隔和连接燃料电池堆中的关键组件，其重量和制造成本分别占比电池的80％和55％。双极板具有多方面的功能，包括1.在电池内分配燃料和氧化剂；2.收集产生的电流；3.排放电池运作过程产生的废水；4.防止气体和水在活动区域泄漏；5.为电池块提供反应物(燃料和氧化剂)的通道。因此，双极板应具有高电导率、耐化学腐蚀性和优良的热传导性，以实现高效热传递。

4、(b)市场需求

5、随着燃料电池技术的发展和应用的广泛推广，燃料电池双极板的市场需求也在不断增长。燃料电池双极板的市场需求主要来自：1.汽车行业,燃料电池汽车是未来汽车行业的发展方向之一，燃料电池双极板是燃料电池汽车的核心部件之一；2.能源行业：燃料电池可以作为一种新型的清洁能源，广泛应用于电力、热力等领域；3.工业应用：燃料电池双极板可以用于工业应用，如备用电源、电动工具等领域。

6、目前燃料电池双极板生产行业所使用的金属材料不能满足新兴市场对材料性能和规格的高度要求。主要表现在1.耐腐蚀性不足：燃料电池双极板需要具备良好的耐腐蚀性能，以应对燃料电池堆中产生的酸碱性物质和高温高压环境。但目前常用的材料如碳纤维复合材料、金属材料等耐腐蚀性能存在不足，需要进一步提高；2.热稳定性不足：燃料电池双极板需要具备良好的热稳定性能，以保证在高温高压环境下不会发生变形和损坏；3.导电性不足：燃料电池双极板需要具备良好的导电性能，以保证电流的传输和分配。

7、燃料电池汽车的研发中，双极板新材料的研发是不可或缺的一环。目前开发的双极板材料包括高温陶瓷材料、高分子材料、金属基复合材料(如不锈钢、钛合金等)。但是，现有的双极板材料在实际运行条件下耐腐蚀性、热力学性能较差，导热性和导电性能在电池工作过程中不够稳定，不能满足燃料电池双极板在高温高压环境下的需求，使得燃料电池存在严重安全隐患。

技术实现思路

1、因此，开发能实现高稳定性、耐久性，亦可符合高度安全要求的双极板材料是现时极需解决的问题。本发明提出了一种新型双极板材料——铝-锰-铜合金。该材料具有轻质、高强度、高导热、低成本、环保等理想功能特性。将其与相变材料相结合，当相变温度处于氢燃料电池的最佳运行温度范围，可实现有效的燃料电池热管理，提升安全性的同时亦可延长氢燃料电池的寿命。该方法为燃料电池双极板的性能和效率提升提供了新思路，有望在燃料电池汽车的研发中发挥重要作用。

2、本发明的一种双极板铝基合金材料，主要成分是铝，还包括如下组分：锰、铜、铁，所述各组分的重量百分比分别为：锰：0.45％-1.4％，铜：0.1％-0.13％，铁：0.1％-0.2％，余量为铝。

3、进一步，所述各组分重量比为锰：0.456％，铜：0.11％，铁：0.15％，余量为铝。所述各组分重量比为锰：0.886％，铜：0.11％，铁：0.16％，余量为铝。所述各组分重量比为锰：1.37％，铜：0.11％，铁：0.16％，余量为铝。

4、本发明还提供一种制备所述的双极板铝基合金材料的工艺，包括如下步骤：

5、a)配料：准备工业用纯铝、al-mn合金和al-cu合金；

6、b)预热：将电阻炉预热，将步骤a中的原料按前述配比将原料加热至500-600℃，并保持1小时以上，确保原料充分融化，接着将温度升至800-900℃，保温30分钟以上，确保原料完全融化；

7、c)添加精炼剂：将电阻炉降温至700-750℃，加入10克精炼剂，使用钛合金工具搅拌2分钟，并扒除漂浮在金属熔液上方的杂质，确保合金中的杂质有效去除，保温30分钟后，清除合金表面的浮渣；

8、d)浇铸：对铁制模具进行预热至220-270℃，将前述合金铸注至所述模具中，等待合金冷却，形成铸锭，铸锭透过空冷进行自然冷却；

9、e)轧制预处理：将铸锭切割成板材，然后对板材进行表面处理；

10、f)轧制：将步骤e中的合金板材置于室温的轧制机中，透过每秒0.15-0.25米的速度轧制板材，获得所需的双极板厚度，轧制下压量在40％到70％之间。

11、进一步，所述精炼剂为无机盐混合物。所述步骤e中表面处理包括：打磨去除氧化层、并用酒精擦拭清洁。所述步骤a中的al-mn合金为al-10mn合金，al-cu合金为al-50cu合金。

12、本发明的双极板铝基合金材料具有如下优点：

13、1.轻量化：铝-锰-铜双极板采用轻量化的铝材料作为基板，相比传统的铜基板更轻，有助于减轻整体电子设备的重量，适用于轻薄便携设备和电动车等领域。

14、2.良好的导电性：铝-锰-铜双极板透过添加锰和铜等合金元素，提高了材料的导电性能。比起纯铝材料，铝-锰-铜双极板具有更低的电阻和更好的电导率，有利于电子设备中电流的传输和分配。

15、3.良好的耐腐蚀性：铝-锰-铜双极板经过轧制处理后，表面形成了均匀致密的氧化膜，具有较好的耐腐蚀性能。这使得双极板在潮湿、酸碱环境下保持良好的稳定性，并延长了电池的使用寿命。

16、4.良好的热传导性：铝-锰-铜双极板具有较高的热传导性能，可有效地将电池产生的热量快速传导出去，提高电池的散热效果，避免过热引发安全问题，并有助于提高电池的充放电效率。

17、5.制造成本低：相较于传统的铜基板，铝-锰-铜双极板采用了轧制处理的工艺，制造成本相对较低；另外，铝材料本身价格相对较低，使得铝-锰-铜双极板在大规模生产上具有一定的经济优势。

技术特征：

1.一种双极板铝基合金材料，主要成分是铝，还包括如下组分：锰、铜、铁，其特征在于，所述各组分的重量百分比分别为：锰：0.45％-1.4％，铜：0.1％-0.13％，铁：0.1％-0.2％，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的双极板铝基合金材料，其特征在于，所述各组分重量比为锰：0.456％，铜：0.11％，铁：0.15％，余量为铝。

3.根据权利要求1所述的双极板铝基合金材料，其特征在于，所述各组分重量比为锰：0.886％，铜：0.11％，铁：0.16％，余量为铝。

4.根据权利要求1所述的双极板铝基合金材料，其特征在于，所述各组分重量比为锰：1.37％，铜：0.11％，铁：0.16％，余量为铝。

5.一种制备如权利要求1-4中任一所述的双极板铝基合金材料的工艺，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，所述精炼剂为无机盐混合物。

7.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，所述步骤e中表面处理包括：打磨去除氧化层并用酒精擦拭清洁。

8.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，所述步骤a中的al-mn合金为al-10mn合金，al-cu合金为al-50cu合金。

技术总结
本发明公开了一种双极板铝基合金材料，主要成分是铝，还包括如下组分：锰、铜、铁，其特征在于，所述各组分的重量百分比分别为：锰：0.45％‑1.4％，铜：0.1％‑0.13％，铁：0.1％‑0.2％，余量为铝。本发明还提供了这种铝基合金材料的制备工艺。该材料具有轻质、高强度、高导热、低成本、环保等特性，将其与相变材料相结合，当相变温度处于氢燃料电池的最佳运行温度范围，可实现有效的燃料电池热管理，提升安全性的同时亦可延长氢燃料电池的寿命。

技术研发人员：杨浩坤,黎伟华,卢匡行,陈璇,李嘉欣
受保护的技术使用者：香港生产力促进局
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17