双极板制备方法与流程

1.本技术涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种双极板制备方法。


背景技术：

2.燃料电池的发展显示出了它成为清洁、高效和可靠电源的潜力。
3.双极板(bp)作为燃料电池的关键部件之一，用于提供电气连接、输送反应气体、消散反应热、去除副产物的作用，但也是制约燃料电池成本的主要因素之一。当前根据双极板材料的不同可以分为金属双极板、石墨双极板和复合材料双极板，其中，金属双极板因其优异的机械和物理性能，与无孔石墨及复合材料相比具有较强的成本优势，在乘用车应用中备受关注。
4.但是，金属双极板的制造工艺和耐腐蚀性还存在一定的缺陷，需要进一步改进，以通过改进后的金属双极板提高燃料电池的性能，提升燃料电池在乘用车领域的应用。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于，提供一种双极板制备方法，使其能够解决当前金属双极板制造工艺复杂且制品耐腐蚀性能差的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本技术实施例提供如下技术方案：
7.一方面本技术提供一种双极板制备方法，包括：
8.1)将阳极单极板和阴极单极板放入含有贵金属离子的溶液中进行离子置换，于所述阳极单极板的表面和所述阴极单极板的表面形成耐腐蚀层；
9.2)将所述阳极单极板和所述阴极单极板放入钝化液中作钝化处理，所述阳极单极板的表面和所述阴极单极板的表面形成钝化膜；
10.3)对所述钝化膜进行固化处理；
11.4)将所述阳极单极板和所述阴极单极板粘结制成所述双极板。
12.本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
13.可选地，前述的双极板制备方法，其中所述含有贵金属离子的溶液是含有银离子的溶液、含有金离子的溶液或含有铂离子的溶液中的一种。
14.可选地，前述的双极板制备方法，其中所述含有银离子的溶液由浓度为5-10％的硝酸和浓度为5-15％的硝酸银混合制得；
15.所述含有金离子的溶液由浓度为5-10％的硝酸和浓度为5-15％的氯金酸混合制得；
16.所述含有铂离子的溶液由浓度为5-10％的硝酸和浓度为5-15％的氯铂酸混合制得。
17.可选地，前述的双极板制备方法，其中所述含有贵金属离子的溶液中，还含有粒径为30-100nm的导电介质，所述导电介质在所述含有贵金属离子的溶液中的浓度为0.5-1g/l。
18.可选地，前述的双极板制备方法，其中所述导电介质为石墨、碳化钛、氮化铬中的一种或两种以上的混合物。
19.可选地，前述的双极板制备方法，其中步骤1)中进行离子置换时所述含有贵金属离子的溶液的温度保持在30-50℃，离子置换时间为30-90min，之后将所述阳极单极板和所述阴极单极板冲洗干净。
20.可选地，前述的双极板制备方法，其中步骤2)中钝化处理的钝化液使用浓度为30％的硝酸溶液，钝化过程中硝酸溶液的温度保持在30-60℃，钝化反应10-30min，之后冲洗干净。
21.可选地，前述的双极板制备方法，其中步骤2)中钝化液中添加有粒度为0.1-0.5μm的聚四氟乙烯颗粒，所述聚四氟乙烯颗粒于所述钝化液中的浓度为1-5g/l。
22.可选地，前述的双极板制备方法，其中步骤3)中的固化处理的方法为：
23.将钝化处理后的所述阳极单极板和所述阴极单极板放在200-250℃的高温炉内恒温30min。
24.可选地，前述的双极板制备方法，其还包括：
25.5)将制得的所述双极板放入多巴胺溶液中，在25℃条件下处理36h，然后将所述双极板取出，冲洗干净，并在80-100℃条件下，干燥0.5-3h，于所述双极板表面制得聚多巴胺涂层；
26.6)于所述双极板的流道内注入硅胶，并使硅胶的顶表面距离所述双极板的脊表面0.05-0.2mm，静止使硅胶固化；
27.7)将所述双极板放入1-10％的氯铂酸水溶液中，超声混合1-12h后冲洗干净，之后取出固化的硅胶。
28.借由上述技术方案，本发明双极板制备方法至少具有下列优点：
29.本发明实施例提供的双极板制备方法，其使用不锈钢材料制造阳极单极板和阴极单极板，使单极板具有良好的机械性能，同时成本较低；进一步地本发明实施例还在阳极单极板和阴极单极板的表面形成具有贵金属的耐腐蚀层，在提升阳极单极板和阴极单极板表面耐腐蚀性能的同时，提高了阳极单极板和阴极单极板表面的传导性能，并且还对对耐腐蚀层进行了钝化和固化处理，保证了耐腐蚀层与阳极单极板和阴极单极板的结合强度，进一步提升阳极单极板和阴极单极板的质量和耐用性，进而使用获得了具有贵金属的耐腐蚀层的阳极单极板和阴极单极板制作双极板，则双极板的耐腐蚀性能、导电性能均能够得到保障；此外，本发明实施例提供的制备方法简单易实施，适合工业化推广，对降低双极板的生产成本有很大帮助。
30.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
31.通过参考附图阅读下文的详细描述，本技术示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本技术的若干实施方式，相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
32.图1示意性地示出了实施例5制备的双极板的结构示意图。
33.图1中的各标号为：
34.阳极单极板1、阴极单极板2、脊表面11、流道12、聚多巴胺涂层4、含有铂的耐腐蚀层3。
具体实施方式
35.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
36.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域技术人员所理解的通常意义。
37.本发明实施例提供的双极板制备方法，包括：
38.根据阳极单极板和阴极单极板的形状结构要求，使用不锈钢材料制造阳极单极板和阴极单极板，然后采用如下步骤处理：
39.1)将阳极单极板和阴极单极板放入含有贵金属离子的溶液中进行离子置换，于所述阳极单极板的表面和所述阴极单极板的表面形成耐腐蚀层；
40.2)将所述阳极单极板和所述阴极单极板放入钝化液中作钝化处理，所述阳极单极板的表面和所述阴极单极板的表面形成钝化膜；
41.3)对所述钝化膜进行固化处理；
42.4)将所述阳极单极板和所述阴极单极板用环氧树脂粘结制成所述双极板。
43.具体地，阳极单极板和阴极单极板结构形状是可以相同的，具体的结构形状可参考当前的单极板的结构形状，本发明实施例不做具体限定。
44.对于步骤1)而言，用于离子置换的含有贵金属离子的溶液，其可以是含有银离子的溶液、含有金离子的溶液或含有铂离子的溶液中的一种
45.其中，所述含有银离子的溶液由浓度为5-10％的硝酸和浓度为5-15％的硝酸银混合制得；所述含有金离子的溶液由浓度为5-10％的硝酸和浓度为5-15％的氯金酸混合制得；所述含有铂离子的溶液由浓度为5-10％的硝酸和浓度为5-15％的氯铂酸混合制得。
46.需要注意的是，阳极单极板和阴极单极板需要完全的浸入含有贵金属离子的溶液中。这样通过离子置换溶液中的贵金属离子与不锈钢表面的铁和镍发生置换反应，贵金属沉积在不锈钢表面形成导电的耐腐蚀层，铁和镍以离子形式进入溶液。
47.优选地，步骤1)在进行离子置换时含有贵金属离子的溶液的温度可以保持在30-50℃，离子置换时间为30-90min，之后将所述阳极单极板和所述阴极单极板使用去离子水冲洗干净。其中，离子置换时间可以为30min、40min、50min、60min、70min、80min、90min。
48.进一步地，在具体实施中，还可以在含有贵金属离子的溶液中添加导电介质，以进一步增加耐腐蚀层的导电性能。
49.其中，导电介质可以为粒径在30-100nm的石墨、碳化钛、氮化铬中的一种或两种以上的混合物，且优选地导电介质在所述含有贵金属离子的溶液中的浓度为0.5-1g/l，例如浓度可以为0.5g/l、0.6g/l、0.7g/l、0.8g/l、0.9g/l、1g/l。
50.对于步骤2)而言，钝化处理的钝化液可以使用浓度为30％的硝酸溶液，钝化过程
中硝酸溶液的温度可以保持在30-60℃，钝化反应10-30min，之后使用去离子水将阳极单极板和阴极单极板冲洗干净。
51.另外，在步骤2)中，钝化液中还可以添加粒度为0.1-0.5μm的聚四氟乙烯颗粒。其中，聚四氟乙烯颗粒于钝化液中的浓度为1-5g/l。
52.对于步骤3)而言，固化处理的方法为：将钝化处理后的阳极单极板和阴极单极板放在200-250℃的高温炉内恒温30min。
53.在具体实施中，本发明实施例提供的双极板制备方法，还包括：
54.5)将制得的所述双极板放入多巴胺溶液中，在25℃条件下处理36h，然后将所述双极板取出，冲洗干净，并在80-100℃条件下，干燥0.5-3h，于所述双极板表面制得聚多巴胺涂层；
55.6)于所述双极板的流道内注入硅胶，并使硅胶的顶表面距离所述双极板的脊表面0.05-0.2mm，静止使硅胶固化；
56.7)将所述双极板放入1-10％的氯铂酸水溶液中，超声混合1-12h后冲洗干净，之后取出固化的硅胶。
57.具体地，步骤5)中的多巴胺溶液优选的ph为8.5，冲洗时使用去离子水冲洗。在步骤6)中可以使用点胶机将硅胶注入双极板流道内，点胶机可以根据事先输入进电脑的流道轨迹进行自动点胶，点较量可控，有助于大批量重复操作，流道内硅胶上表面低于脊表面0.05-0.2mm，并在室温下，静止放置2-24小时，待流道内硅胶固化。流道内点入硅胶可有效防止流道沟槽内表面的聚多巴胺层被还原成贵金属。其中，硅胶可以为双组份室温硫化有机硅模具硅胶。
58.通过在步骤7的进一步置换反应，双极板脊表面(双极板高于流道沟槽的表面)的聚多巴胺将氯铂酸水溶液中的铂离子还原出来并沉积于双极板脊表面，可以使双极板的脊表面位置的耐腐蚀层更加致密。
59.在此过程中双极板脊表面的聚多巴胺将氯铂酸水溶液中的铂离子还原出来并沉积于不锈钢双极板脊表面，然后取出用去离子水淋洗1-10min，即得到脊表面具有铂纳米粒子层的双极板。之后将不锈钢钢双极板流道内固化后的硅胶取下，即得到流道内为聚多巴胺涂层，脊为纳米铂涂层的双极板。
60.实施例1
61.1)使用浓度为8％的硝酸和浓度为6％的硝酸银混合的制成含有银离子的溶液，并在含有银离子的溶液中加入粒径为30-100nm的导电介质石墨，使石墨于含有银离子的溶液中的浓度为0.6g/l，之后将阳极单极板和阴极单极板放入含有银离子的溶液中，于保持含有银离子的溶液处于40℃，进行50min离子置换，于阳极单极板的表面和阴极单极板的表面形成耐腐蚀层；
62.2)在浓度为30％的硝酸溶液中加入粒度为0.3μm的聚四氟乙烯颗粒，并使聚四氟乙烯颗粒于硝酸溶液中的浓度为4g/l，将阳极单极板和阴极单极板放入硝酸溶液中，保持硝酸溶液40℃，进行20min钝化处理，之后使用去离子水冲洗阳极单极板和阴极单极板；
63.3)将钝化处理后的阳极单极板和阴极单极板放在250℃的高温炉内恒温30min，进行固化处理。
64.4)将处理后的阳极单极板和阴极单极板用环氧树脂粘结制成双极板。
65.实施例2
66.1)使用浓度为6％的硝酸和浓度为8％的硝酸银混合的制成含有银离子的溶液，并在含有银离子的溶液中加入粒径为30-100nm的导电介质石墨，使石墨于含有银离子的溶液中的浓度为0.6g/l，之后将阳极单极板和阴极单极板放入含有银离子的溶液中，于保持含有银离子的溶液处于40℃，进行50min离子置换，于阳极单极板的表面和阴极单极板的表面形成耐腐蚀层；
67.2)在浓度为30％的硝酸溶液中加入粒度为0.3μm的聚四氟乙烯颗粒，并使聚四氟乙烯颗粒于硝酸溶液中的浓度为4g/l，将阳极单极板和阴极单极板放入硝酸溶液中，保持硝酸溶液40℃，进行20min钝化处理，之后使用去离子水冲洗阳极单极板和阴极单极板；
68.3)将钝化处理后的阳极单极板和阴极单极板放在250℃的高温炉内恒温30min，进行固化处理。
69.4)将处理后的阳极单极板和阴极单极板用环氧树脂粘结制成双极板。
70.实施例3
71.1)使用浓度为8％的硝酸和浓度为6％的硝酸银混合的制成含有银离子的溶液，并在含有银离子的溶液中加入粒径为30-100nm的导电介质石墨，使石墨于含有银离子的溶液中的浓度为0.8g/l，之后将阳极单极板和阴极单极板放入含有银离子的溶液中，于保持含有银离子的溶液处于40℃，进行50min离子置换，于阳极单极板的表面和阴极单极板的表面形成耐腐蚀层；
72.2)在浓度为30％的硝酸溶液中加入粒度为0.3μm的聚四氟乙烯颗粒，并使聚四氟乙烯颗粒于硝酸溶液中的浓度为4g/l，将阳极单极板和阴极单极板放入硝酸溶液中，保持硝酸溶液40℃，进行20min钝化处理，之后使用去离子水冲洗阳极单极板和阴极单极板；
73.3)将钝化处理后的阳极单极板和阴极单极板放在250℃的高温炉内恒温30min，进行固化处理。
74.4)将处理后的阳极单极板和阴极单极板用环氧树脂粘结制成双极板。
75.实施例4
76.1)使用浓度为8％的硝酸和浓度为6％的硝酸银混合的制成含有银离子的溶液，并在含有银离子的溶液中加入粒径为30-100nm的导电介质石墨，使石墨于含有银离子的溶液中的浓度为0.6g/l，之后将阳极单极板和阴极单极板放入含有银离子的溶液中，于保持含有银离子的溶液处于40℃，进行50min离子置换，于阳极单极板的表面和阴极单极板的表面形成耐腐蚀层；
77.2)在浓度为30％的硝酸溶液中加入粒度为0.3μm的聚四氟乙烯颗粒，并使聚四氟乙烯颗粒于硝酸溶液中的浓度为3g/l，将阳极单极板和阴极单极板放入硝酸溶液中，保持硝酸溶液40℃，进行20min钝化处理，之后使用去离子水冲洗阳极单极板和阴极单极板；
78.3)将钝化处理后的阳极单极板和阴极单极板放在250℃的高温炉内恒温30min，进行固化处理。
79.4)将处理后的阳极单极板和阴极单极板用环氧树脂粘结制成双极板。
80.实施例5
81.获得的双极板如图1所示，具体步骤如下：
82.1)使用浓度为8％的硝酸和浓度为6％的氯铂酸混合的制成含有银离子的溶液，并
在含有银离子的溶液中加入粒径为30-100nm的导电介质石墨，使石墨于含有银离子的溶液中的浓度为0.6g/l，之后将阳极单极板1和阴极单极板2放入含有银离子的溶液中，于保持含有银离子的溶液处于40℃，进行50min离子置换，于阳极单极板1的表面和阴极单极板2的表面形成耐腐蚀层；
83.2)在浓度为30％的硝酸溶液中加入粒度为0.3μm的聚四氟乙烯颗粒，并使聚四氟乙烯颗粒于硝酸溶液中的浓度为4g/l，将阳极单极板1和阴极单极板2放入硝酸溶液中，保持硝酸溶液40℃，进行20min钝化处理，之后使用去离子水冲洗阳极单极板1和阴极单极板2；
84.3)将钝化处理后的阳极单极板1和阴极单极板2放在250℃的高温炉内恒温30min，进行固化处理。
85.4)将处理后的阳极单极板1和阴极单极板2用环氧树脂粘结制成双极板。
86.5)将制得的双极板放入多巴胺溶液中，在25℃条件下处理36h，然后将双极板取出，使用去离子水冲洗干净，并在80℃条件下，干燥2h，于双极板表面制得聚多巴胺涂层4；
87.6)于双极板的流道12内注入硅胶，并使硅胶的顶表面距离双极板的脊表面11为0.1mm，静止12h使硅胶固化；
88.7)将双极板放入6％的氯铂酸水溶液中，超声混合10h后冲洗干净，之后取出固化的硅胶，脊表面11上形成含有铂的耐腐蚀层3。
89.经过步骤1)-步骤7)
90.上述实施例1-实施例5获得的双极板其表面的耐腐蚀层经过钝化和固化处理，使耐腐蚀层非常稳固，且耐腐蚀层中具有贵金属，不仅耐腐蚀效果好，还具有良好的导电性能。故本发明实施例提供的方法制备的双极板具有耐腐蚀、强度高、导电性能强的特性。本发明实施例提供的制备方法简单易实施，适合工业化推广，对降低双极板的生产成本有很大帮助。
91.可以理解的是，上述装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。
92.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
93.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。