专利名称：聚合物电解质膜燃料电池块状金属玻璃双极板及其制法的制作方法
技术领域：
本发明属于燃料电池电极技术领域。特别涉及聚合物电解质膜燃料电池的双极板。
背景技术：
除了具有能量转化效率高、寿命长、环境友好等特点，聚合物电解质膜燃料电池因其工作温度低、启动快而作为交通运输和建设分散电站的动力源，是一种军民通用的可移动电源。然而，高成本、重量和体积等因素在很大程度上限制了聚合物电解质膜燃料电池的大规模商业化应用。因此，降低成本已经成为各国政府和研究者的关注热点。双极板是聚合物电解质膜燃料电池中重要的多功能组件之一，不仅具有分隔反应气体、集流导电、支撑膜电极和导热作用，还能通过与流场板结合为反应气体提供通道以便使其分布均勻，并将生成的水排出。石墨具有良好的导电性和化学稳定性，一直被认为是理想的聚合物电解质膜燃料电池双极板材料。但其脆性大、强度低难以制备低重量、低体积的燃料电池组。此外，通过机加工方式在表面各种流场的工艺耗时且费用高，从而导致石墨板的成本约占质子交换膜燃料电池成本的80%。金属材料因良好的强韧性、导电性和气密性有潜力代替石墨。金属不仅可以加工成厚度为0. 1 0. 3mm的薄板，还可以采用机械加工和冲压的方法加工成各种流场板，更适合于大批量生产，进而大幅度提高聚合物电解质膜燃料电池的质量比功率和体积比功率。目前采用的金属双极板材料有铁基合金、镍基合金和铝、钛及其合金等。在聚合物电解质膜燃料电池运行的过程中，由于质子交换膜的部分降解和电极的特有制备工艺导致工作环境中含有SO广、SO32_、CO32_、HSO4_和HSO3_等离子[1]。因此，金属双极板不可避免地要发生电化学腐蚀。尽管金属双极板表面生成的钝化的氧化物层可以抑制金属的进一步腐蚀，同时也引起了难以满足实际要求的高表面接触电阻[2_4]。所有这些因素势必会造成一些电能的消耗和燃料电池组总效率的降低，从而降低电池组的性能和功率输出。为此，通过表面改性技术来提高其表面导电性和耐蚀性对金属双极板的制备和生产具有重要的意义，也必将对聚合物电解质膜燃料电池的发展和广泛应用产生深远的影响。贵金属涂层因其成本高而不适于生产低成本的电池组。采用PVD[5_1(I]、CVD[11_13]和电镀[14’w 等不同的方法制备的氮化物和氧化物涂层则因其制备工艺的限制而生成难以避免的微孔和微裂纹等缺陷会因为局部腐蚀而剥落，从而引起聚合物电解质膜燃料电池的使用寿命降低。到目前为止，还没有一种通过表面处理的金属双极板得以大规模的市场应用。因此，发展低成本、高表面导电性和良好耐蚀性的双极板是聚合物电解质膜燃料电池的必然趋势， 也必将对聚合物电解质膜燃料电池的商业化进程产生重要的影响。参考文献[l]Li Y, Meng W, Swathirajan S, Harris S, et al. US Patent 5624769,20 Aprill997.[2]Scholta J,Rohland B,Garche J.Proceedings of the Second International
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发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本的具有优良的导电性、耐蚀性、易于生产加工且能够满足大规模市场应用要求的聚合物电解质膜燃料电池块状金属玻璃双极板及其制备方法。为了能够达到上述目的，本发明采用以下技术方案本发明所提供的聚合物电解质膜燃料电池锆基块状金属玻璃双极板， 厚度为0. 1 3mm。锆基块状金属玻璃以锆、铌、铜、镍和铝为组元，其组成公式 Zr60^xNbxCu20Al10Ni10 (x = 0-20)。各元素 Zr、Nb、Cu、Ni、Al 原料的纯度均不低于 99. 95wt% (重量百分比)。所述的锆基块状金属玻璃至少含有95ν01% (体积百分比)的非晶相。腐蚀速度低于10 μ A/cm2。当压力为150 250N/cm2时，接触电阻低于IOmQ · cm2。本发明所提供的锆基块状金属玻璃的制备方法，包括如下的步骤按照组成公式 Zr60^xNbxCu20Al10Ni10(x = 0-20)所需要的原子摩尔比例配料。母合金锭在氩气保护下经电弧熔炼而成，至少重熔3次以保证其化学均勻性。真空电弧炉电流为150 250Α。然后采用Cu模铸造制备成厚度为0. 1 3mm的锆基块状金属玻璃板材。本发明提供的锆基块状金属玻璃双极板优点在于锆基块状金属玻璃可以应用于聚合物电解质膜燃料电池双极板材料领域。本发明制备的锆基块状金属玻璃所需临界冷却速率低，抑制结晶能力强，比其他方法更易于形成大尺寸的非晶合金。由于具有较宽的过冷液相区和较高的玻璃转变温度和晶化温度，锆基块状金属玻璃的热稳定性更高，有利于其在较高的温度得以应用。本发明提供的制备锆基块状金属玻璃是采用较便宜的普通金属制备，制备方法工艺简单，加工成本低廉，易于批量生产薄金属玻璃双极板。该锆基块状金属玻璃具有良好的表面导电性和较高的耐蚀性。采用锆基块状金属玻璃代替传统的石墨做为双极板材料有望实现聚合物电解质膜燃料电池的大幅度低成本化以及大批量工业化生产和大规模的市场应用，对于加快聚合物电解质膜燃料电池金属双极板的广泛应用具有重要的实际意义。
具体实施例方式实施例1按照组成公式&6C1_xNbxCU2C1Al1(1Ni1(1(X = 0)所需要的原子摩尔比例配料。各元素 Zr、Nb、Cu、Ni、Al原料的纯度均不低于99. 95wt%。母合金锭在氩气保护下经电弧熔炼而成，至少重熔3次以保证其化学均勻性。真空电弧炉电流为150A。然后采用Cu模铸造制备成厚度为0. 1 3mm的锆基块状金属玻璃板材。阳极极化曲线和在聚合物电解质膜燃料电池工作条件下的恒电位极化均在0. 05MH2S04+2ppmF_的溶液中进行。为了模拟聚合物电解质膜燃料电池的工作环境，所有电化学实验过程中均在溶液中通入吐或空气。腐蚀速度低于16 μ A/cm2。电导率高于5000S/cm。实施例2按照组成公式&6Q_xNbxCU2(1Al1(1Ni1(1(X = 5)所需要的原子摩尔比例配料。各元素 Zr、Nb、Cu、Ni、Al原料的纯度均不低于99. 95wt%。母合金锭在氩气保护下经电弧熔炼而成，至少重熔3次以保证其化学均勻性。真空电弧炉电流为150A。然后采用Cu模铸造制备成厚度为0. 1 3mm的锆基块状金属玻璃板材。阳极极化曲线和在聚合物电解质膜燃料电池工作条件下的恒电位极化均在0. 05MH2S04+2ppmF_的溶液中进行。为了模拟聚合物电解质膜燃料电池的工作环境，所有电化学实验过程中均在溶液中通入吐或空气。腐蚀速度低于16 μ A/cm2。电导率高于5000S/cm。实施例3按照组成公式Zi^xNbxCu2ciAliciNiici(χ = 15)所需要的原子摩尔比例配料。各元素 Zr、Nb、Cu、Ni、Al原料的纯度均不低于99. 95wt%。母合金锭在氩气保护下经电弧熔炼而成，至少重熔3次以保证其化学均勻性。真空电弧炉电流为200A。然后采用Cu模铸造制备成厚度为0. 1 3mm的锆基块状金属玻璃板材。阳极极化曲线和在聚合物电解质膜燃料电池工作条件下的恒电位极化均在lMH2S04+2ppmF-的溶液中进行。为了模拟聚合物电解质膜燃料电池的工作环境，所有电化学实验过程中均在溶液中通入H2或空气。腐蚀速度低于 10 μ A/cm2。电导率高于 5000S/cm。实施例4按照组成公式&6C1_xNbxCU2C1Al1(1Ni1(1(X = 20)所需要的原子摩尔比例配料。各元素Zr、Nb、Cu、Ni、Al原料的纯度均不低于99. 95wt%。母合金锭在氩气保护下经电弧熔炼而成，至少重熔3次以保证其化学均勻性。真空电弧炉电流为250A。然后采用Cu模铸造制备成厚度为0. 1 3mm的锆基块状金属玻璃板材。阳极极化曲线和在聚合物电解质膜燃料电池工作条件下的恒电位极化均在lMH2S04+2ppmF_+0. OlM CH3OH和通入空气的IM H2S04+2ppmF>IMCH3OH的溶液中进行。腐蚀速度低于10 μ A/cm2。电导率高于5000S/cm。
权利要求
1.聚合物电解质膜燃料电池块状金属玻璃双极板。其特征在于厚度为0.1 3. 0mm， 锆基块状金属玻璃以锆、铌、铜、镍和铝为组元，其组成公式Zr6(1_xNbxCU2(1Al1(1Ni1(1，其中χ = 0-20 ；各元素Zr、Nb、Cu、Ni、Al原料的纯度均不低于99. 95wt%，锆基块状金属玻璃至少含有95vol %的非晶相；腐蚀速度低于16 μ A/cm2 ；电导率高于5000S/cm。
2.如权利要求1所述聚合物电解质膜燃料电池块状金属玻璃双极板的制法，其特征在于用如下工艺进行制备按照组成公式^6CHxNbxCu2ciAliciNiici(χ = 0-20)所需要的原子摩尔比例配料。母合金锭在氩气保护下经真空电弧炉熔炼而成，至少重熔3次以保证其化学均勻性；然后采用Cu模铸造制备成厚度为0. 1 3mm的锆基块状金属玻璃板材。
3.根据权利要求2所述聚合物电解质膜燃料电池块状金属玻璃双极板的制法，其特征在于真空电弧炉电流为150-250A。
全文摘要
聚合物电解质膜燃料电池块状金属玻璃双极板及其制法。按照组成公式Zr60-xNbxCu20Al10Ni10(x＝0-20)所需要的原子摩尔比例配料。母合金锭在氩气保护下经电弧熔炼而成，至少重熔3次以保证其化学均匀性。真空电弧炉电流为150～250A。然后采用Cu模铸造制备成厚度为0.1～3mm的锆基块状金属玻璃板材。各元素Zr、Nb、Cu、Ni、Al原料的纯度均不低于99.95wt％，锆基块状金属玻璃至少含有95vol％的非晶相；腐蚀速度低于16μA/cm2；电导率高于5000S/cm。产品具有较高的电导率和良好的耐蚀性并能大幅度降低成本。主要适用于燃料电池制造领域。
文档编号H01M4/86GK102364738SQ20111036156
公开日2012年2月29日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者田如锦 申请人:大连交通大学