一種質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板及其制備的制作方法

文檔序號：6973696閱讀：97來源：國知局

專利名稱：一種質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板及其制備的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池技術，特別提供了一種質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板及其制備方法，該不銹鋼雙極板具有良好耐腐蝕性和導電性。
背景技術：
燃料電池(Fud cell, FC)是一種通過電化學反應將燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的高效發電裝置。隨著礦物能源的日趨緊張及環境保護的要求，清潔、高效的FC技術成為一種新興的領域，并日益受到各國的重視。質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fUel cell，簡稱為 PEMFC)是以固體高分子質子交換膜為電解質，以氫氣或重整氣為燃料，以氧氣或空氣為氧化劑的新一代燃料電池，PEMFC由于具有十分廣闊的開發應用前景，受到各國政府和科研機構的廣泛關注。目前，PEMFC已在航天、電動汽車、艦艇、移動電源、分布式電站等中進行試驗，處于實驗室開發和逐漸走向實用的階段。國際重要的PEMFC研究計劃包括美國能源部組織的國家PEMFC研究計劃和以加拿大巴拉德動力系統公司為基礎，由奔馳、福特等公司支持的PEMFC電動車計劃。中國在"九五"和"十五""八六三"中，將PEMFC列為后續能源和動力項目。一個PEMFC單體電池主要包括雙極板、鉑催化劑、質子交換膜等組成。一個系統除了 PEMFC本體外，還應包括燃料及其循環系統、氧化劑及其循環系統、水/熱管理系統等輔助系統。
雙極板是PEMFC的一個多功能部件，它具有支撐電極、收集電流、分
4隔與導通氣體和排水等作用。據估計，一個典型的PEMFC中，可達80% 的重量和體積來自于雙極板，因此減小雙極板的重量和體積是提高PEMFC 比能量的關鍵。同時，減少雙極板材料及其加工費用也是降低PEMFC成本的主要途徑之一。因此，雙極板材料及其制作工藝的發展對PEMFC的發展和商業化應用有極其重要的影響。
目前，雙極板主要采用石墨及其復合材料或金屬材料制作。當前使用最廣泛的PEMFC雙極板材料是石墨，它具有良好的耐蝕性能、導電性和導熱性能，但它的孔隙率大、機械強度低、脆性大、加工性能差，為了防止工作氣體的滲透和滿足機械強度設計，石墨雙極板的厚度應較厚，這使得其體積和重量都較大，不利于降低電池重量比能量和體積比能量；雙極板碳復合材料主要是由高分子樹脂和石墨粉混合并固化而成，它既保留了石墨材料的化學穩定性高和接觸電阻小等性能，又克服了石墨孔隙率大、脆性高等物理機械性能的不足，但由于利用了高分子樹脂作為粘接劑，這不可避免地引入了高分子材料的特性，其中其物理機械性能在環境介質中的劣化、離子滲出、蠕變等問題對PEMFC的長期運行性能均有較大影響；與傳統的石墨材料相比，金屬材料的強度高、加工性能好，可制成很薄的雙極板以制造重量比和體積比能量都很高的PEMFC,因此金屬材料是極具競爭力的雙極板材料。但是，由于PEMFC工作時會產生弱酸性環境，金屬材料在此環境中會發生腐蝕或鈍化，既污染膜電極，又會增加接觸電阻，對 PEMFC的性能產生不良影響。因此，釆用金屬作為PEMFC雙極板材料的關鍵技術之一是金屬的表面改性，通過改性處理以提高金屬的耐腐蝕性能和降低金屬的接觸電阻。PEMFC雙極板涉及的金屬材料主要有不銹鋼、鈦、鎳、鋁、銅和碳鋼等。鎳、鋁、銅和碳鋼在PEMFC環境中的腐蝕速度較大，選用這些材料制作雙極板時，必須采用有效的涂層等進行表面處理以提高其耐蝕性。鈦在 PEMFC環境中的腐蝕速率很低，但是其表面接觸電阻較大，進而使得電池的正常工作電壓較低。與鈦材料相比，不銹鋼在PEMFC環境中的耐蝕性相對較差，但它比鈦材易于加工，且其耐蝕性能明顯高于鎳、鋁、銅和碳鋼等金屬材料。因此，正是由于相對較高的強度、較高化學穩定性、合金選擇范圍大、良好加工性能及相對較低的成本使得不銹鋼材料受到廣泛關注，是目前研究最為活躍的金屬材料。但不銹鋼在PEMFC環境中也存在腐蝕(特別是在電池陽極一側)和表面鈍化(特別是在電池陰極一則)，因此必須進行表面處理以滿足PEMFC的實用化要求。目前國際報道的金屬雙極板表面防護涂層主要包括碳基涂層如物理氣相沉積類金剛石膜、導電聚合物(聚吡咯或聚苯胺)涂層和金屬基涂層如貴金屬涂層、金屬陶瓷(金屬氮化物和碳化物) 涂層及金屬氧化物涂層。這些金屬陶瓷涂層制備方法主要包括物理氣相沉積和化學氣相沉積。

發明內容
本發明的目的在于提供一種質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板及其制備方法。
本發明提供了一種質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板，所述不銹鋼雙極板的表面覆蓋一層聚吡咯/聚苯胺耐蝕、導電復合涂層，涂層厚度10 25u m.，底層聚吡咯涂層與頂層的聚苯胺涂層厚度比在l: 1~1: 4之間。
本發明提供的質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的制備，所述涂層采用電化學的方法合成，底層的聚吡咯合成在0.1~0.4mol/dm3吡咯 +0.05~0.3mol/dm3十二烷基硫酸鈉的水溶液中進行，其中0.4mol/dm3吡咯 +0.15mol/dm3十二垸基硫酸鈉得到的涂層性能最優，涂層厚度通過對合成時間和合成電流密度的控制來調節；頂層的聚苯胺涂層的合成在 0.1 lmol/dn^苯胺+0.1 lmol/dm3硫酸的水溶液中進行，其中在0.5mol/dm3 苯胺+lmol/dmS硫酸中合成得到的聚苯胺涂層性能最好，涂層厚度通過對合成的循環次數來調節；頂層和底層均使用冰水浴的方法使合成溫度保持在 0 5'C左右，在暗箱內進行合成以避免光照。
本發明提供的質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的制備，底層的電位掃描區間為-0，2 lV，掃描速率為30mV/s，合成電流恒定在0.5~10mA/cnT2，其中當合成電流為3~5mA/Cm 2，涂層性能最優，涂層厚度2 15um;頂層聚苯胺涂層的合成循環次數為2 6個，厚度為2 15um;
本發明提供的質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的制備，底層聚吡咯涂層與頂層的聚苯胺涂層厚度比在1: 1 1: 4之間性能良好，其中當二者的厚度比在l: 3時為最優。
本發明提供的質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的制備，制備底層聚吡咯涂層采用的是雙電極體系，即以鉑片或不銹鋼片為輔助電極，不銹鋼為
工作電極；制備頂層聚苯胺涂層采用的是三電極體系，即以飽和甘汞電極為參比電極，鉑片或不銹鋼片為輔助電極，不銹鋼/聚吡咯為工作電極。
本發明提供的質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的制備，在質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面合成了一種聚吡咯/聚苯胺耐蝕、導電復合涂層。它可施加在各類型不銹鋼(如304、 316、 310型不銹鋼)表面。當涂層的
7厚度達到15um左右時即能對基材不銹鋼起到長期的保護作用。
以304不銹鋼為例，在25°(:下0.311101/(111131"1<:1水溶液中，基體不銹鋼自腐蝕電位約-360mV (相對飽和甘汞電極，下同)，點蝕電位約-80mV,涂層能夠使其自腐蝕電位提高到100mV以上，同時能抑制基體金屬在自腐蝕電位處的活性溶解，且未發現基體不銹鋼發生點蝕；在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的600 mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好的耐蝕性能和較高的電導率。
在模擬質子交換膜燃料電池陰極環境(80°C， 0.1MH2S04水溶液，通入空氣)中，基體不銹鋼的自腐蝕電位約-300mV，涂層可使自腐蝕電位提高到110mV以上。在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的600mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好的耐蝕性能和較高的電導率。
在模擬質子交換膜燃料電池陽極環境(80°C， 0.1M H2S04水溶液，通入氫氣)中，基體不銹鋼的自腐蝕電位約-320mV，涂層可使自腐蝕電位提高到60mV以上。在高于質子交換膜燃料電池陽極工作電位的-240mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好的耐蝕性能。
本發明具有工藝簡單，不受工件結構形狀限制，處理成本低，涂層在酸性環境中具有優異的抗腐蝕性能等優點，可以提高金屬的耐腐蝕性能和降低金屬的接觸電阻。該涂層首次應用于質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的防護。
8具體實施方式
實施例l
合成前，不銹鋼表面需用用水磨砂紙打磨到240#，并經蒸餾水、丙酮清洗及干燥，以使所制備的涂層與不銹鋼基體有良好結合。底層聚吡咯涂層的合成采用雙電極體系，即以鉑片為輔助電極，304不銹鋼為工作電極。制備在0.4mol/dmS吡咯+0.15mol/dmS十二烷基硫酸鈉的水溶液中進行，在合成過程中使用冰水浴的方法將合成溫度保持在5'C左右，合成電流恒定在 3mAcm'2，合成時間20分鐘，涂層厚度約為12um;在304SS/聚吡咯上合成聚苯胺涂層采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片，合成制備在0.5mol/dn^苯胺和lmol/dmSH2S04溶液中進行，掃描電位區間為-0.2 1.0VscE，掃描速率為30mV/s。在合成過程中使用冰水浴的方法將合成溫度保持在5'C左右，循環3次，涂層厚度約為4um，最終在不銹鋼的表面形成了一層厚度約為16um的聚吡咯/聚苯胺耐蝕、導電復合涂層。
在25r下0.3mol/dm3 HC1水溶液中，基體不銹鋼自腐蝕電位約-360mV (相對飽和甘汞電極，下同)，點蝕電位約-80mV,涂層能夠使其自腐蝕電位提髙到110mV以上，同時能抑制基體金屬在自腐蝕電位處的活性溶解，且未發現基體不銹鋼發生點蝕；在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的600 mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好的耐蝕性能和較高的電導率，不退化。
在模擬質子交換膜燃料電池陰極環境(80°C， 0.1MH2S04水溶液，通入空氣)中，基體不銹鋼自腐蝕電位約-300mV,涂層可使自腐蝕電位提高到110mV以上。在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的600mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期
9浸泡后仍能保持良好的耐蝕性能和較高的電導率。
在模擬質子交換膜燃料電池陽極環境(80'C， 0.1MH2S04水溶液，通入氫氣)中，基體不銹鋼的自腐蝕電位約-320mV，涂層可使自腐蝕電位提高到60mV以上。在高于質子交換膜燃料電池陽極工作電位的-240mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好的耐蝕性能。
實施例2
合成前，不銹鋼表面需用用水磨砂紙打磨到240#，并經蒸餾水、丙酮清洗及干燥，以使所制備的涂層與不銹鋼基體有良好結合。底層聚吡咯涂層的合成采用雙電極體系，即以鉑片為輔助電極，304不銹鋼為工作電極。涂層制備在0.4mol/dm3吡咯和0.15mol/dm3十二烷基硫酸鈉的水溶液中進行，在合成過程中使用冰水浴的方法將合成溫度保持在5'C左右，合成電流恒定在31^^11-2，合成時間12分鐘，涂層厚度為8um;在304SS/聚吡咯上合成聚苯胺涂層采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片，合成制備在0.1 mol/dm3苯胺和1 mol/dm3112804溶液中進行。掃描電位區間為-0.2 1.0VscE，掃描速率為30mV/s。在合成過程中使用冰水浴的方法將合成溫度保持在5。C左右，循環3次，涂層厚度為4um，最終在不銹鋼的表面形成了一層厚度為約12um的聚吡咯/聚苯胺耐蝕、導電復合涂層。
在25卩下0.3 mol/dm3 HC1水溶液中，基體不銹鋼自腐蝕電位約-360mV (相對飽和甘汞電極，下同)，點蝕電位約-80mV，涂層能夠使其自腐蝕電位提高到100mV以上，同時能抑制基體金屬在自腐蝕電位處的活性溶解，且未發現基體不銹鋼發生點蝕；在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的600 mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性和較高的電導率，不退化。
在模擬質子交換膜燃料電池陰極環境(80'C, 0.1 mol/dm3 112804水溶液，通入空氣)中，基體不銹鋼的自腐蝕電位約-300mV，涂層可使自腐蝕電位提高到110mV以上。在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的 600mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性和較高的電導率。
在模擬質子交換膜燃料電池陽極環境(80°C， 0.1MH2S04水溶液，通入氫氣)中，基體不銹鋼的自腐蝕電位約-320mV，涂層可使自腐蝕電位提高到60mV以上。在高于質子交換膜燃料電池陽極工作電位的-240mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性。
實施例3
合成前，不銹鋼表面需用用水磨砂紙打磨到240#，并經蒸餾水、丙酮清洗及干燥，以使所制備的涂層與不銹鋼基體有良好結合。底層聚吡咯涂層的合成采用雙電極體系，即以鉑片為輔助電極，304不銹鋼為工作電極。涂層制備在0.1mol/dm^比咯和0.1mol/dmS十二烷基硫酸鈉的水溶液中進行，在合成過程中使用冰水浴的方法將合成溫度保持在5C左右，合成電流恒定在1.5mAcm'2，合成時間30分鐘，涂層厚度為10um;在304SS/聚吡咯上合成聚苯胺涂層采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片，合成制備在1 mol/dr^苯胺和0.5 mol/dm3112804溶液中進行。掃描電位區間為-0.2 1.0VscE，掃描速率為30mV/s。在合成過程中使用冰水浴的方法將合成溫度保持在5"C左右，循環2次，涂層厚度為2ii m，最終在不銹
ii鋼的表面形成了一層厚度約為12um的聚吡咯/聚苯胺耐蝕、導電復合涂層。
在25'C下0.3 mol/dm3HCl水溶液中，基體不銹鋼自腐蝕電位約-360mV (相對飽和甘汞電極，下同)，點蝕電位約-80mV，涂層能夠使其自腐蝕電位提高到100mV以上，同時能抑制基體金屬在自腐蝕電位處的活性溶解，且未發現基體不銹鋼發生點蝕；在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的600 mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性和較高的電導率，不退化。
在模擬質子交換膜燃料電池陰極環境(80'C, 0.1 mol/dm3 112804水溶液，通入空氣)中，基體不銹鋼的自腐蝕電位約-300mV，涂層可使自腐蝕電位提高到110mV以上。在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的 600mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性和較高的電導率。
在模擬質子交換膜燃料電池陽極環境(80°C， 0.1M H2S04水溶液，通入氫氣)中，基體不銹鋼的自腐蝕電位約-320mV，涂層可使自腐蝕電位提高到60mV以上。在高于質子交換膜燃料電池陽極工作電位的-240mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性。
實施例4
合成前，不銹鋼表面需用用水磨砂紙打磨到240#，并經蒸餾水、丙酮清洗及干燥，以使所制備的涂層與不銹鋼基體有良好結合。底層聚吡咯涂層的合成采用雙電極體系，即以鉑片為輔助電極，304不銹鋼為工作電極。涂層制備在0.4mol/dm3吡咯和0.15mol/dm3十二烷基硫酸鈉的水溶液中進行，在合成過程中使用冰水浴的方法將合成溫度保持在5"C左右，合成電流恒定在5mAcm—2，合成時間9分鐘，涂層厚度為10ixm;在304SS/聚吡咯上合成聚苯胺涂層采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片，合成制備在0.5 mol/dm3苯胺和1 mol/dm3112804溶液中進行。掃描電位區間為-0.2 1.0VscE，掃描速率為30mV/s。在合成過程中使用冰水浴的方法將合成溫度保持在5t:左右，循環5次，涂層厚度為10um，最終在不銹鋼的表面形成了一層厚度約為20um的聚吡咯/聚苯胺耐蝕、導電復合涂層。
在25 °C下0.3 mol/dm3 HC1水溶液中，基體不銹鋼自腐蝕電位約-360mV (相對飽和甘汞電極，下同)，點蝕電位約-80mV,涂層能夠使其自腐蝕電位提高到90mV以上，同時能抑制基體金屬在自腐蝕電位處的活性溶解，且未發現基體不銹鋼發生點蝕；在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的600 mV下極化4小時沒有弓I起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性和較高的電導率，不退化。
在模擬質子交換膜燃料電池陰極環境(80°C， 0.1 mol/dm3 112804水溶液，通入空氣)中，基體不銹鋼的自腐蝕電位約-300mV，涂層可使自腐蝕電位提高到100mV以上。在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的 600mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性和較高的電導率。
在模擬質子交換膜燃料電池陽極環境(80°C， 0.1MH2S04水溶液，通入氫氣)中，基體不銹鋼的自腐蝕電位約-320mV，涂層可使自腐蝕電位提高到60mV以上。在高于質子交換膜燃料電池陽極工作電位的-240mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性。
13實施例5
合成前，不銹鋼表面需用用水磨砂紙打磨到240#,并經蒸餾水、丙酮清洗及干燥，以使所制備的涂層與不銹鋼基體有良好結合。底層聚吡咯涂層的合成采用雙電極體系，即以鉑片為輔助電極，304不銹鋼為工作電極。涂層制備在0.4mol/dm3吡咯和0.15mol/dm3十二烷基硫酸鈉的水溶液中進行，在合成過程中使用冰水浴的方法將合成溫度保持在5"C左右，合成電流恒定在3mAcm'2，合成時間15分鐘，涂層厚度為10um，；在304SS/聚吡咯上合成聚苯胺涂層采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片，合成制備在0.5 mol/dm3苯胺和1 mol/dm3112804溶液中進行。掃描電位區間為-0.2 1.0VscE，掃描速率為30mV/s。在合成過程中使用冰水浴的方法將合成溫度保持在5'C左右，循環3次，涂層厚度為4wm，最終在不銹鋼的表面形成了一層厚度約為25 u m的聚吡咯/聚苯胺耐蝕、導電復合涂層。
在25"C下0.3 mol/dm3 HC1水溶液中，基體不銹鋼自腐蝕電位約-360mV (相對飽和甘汞電極，下同)，點蝕電位約-80mV,涂層能夠使其自腐蝕電位提高到100mV以上，同時能抑制基體金屬在自腐蝕電位處的活性溶解，且未發現基體不銹鋼發生點蝕；在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的600 mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性和較高的電導率，不退化。
在模擬質子交換膜燃料電池陰極環境(80'C 0.1 mol/dm3 H2S04水溶液，通入空氣)中，基體不銹鋼的自腐蝕電位約-300mV，涂層可使自腐蝕電位提高到100mV以上。在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的 600mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性和較高的電導率。
14在模擬質子交換膜燃料電池陽極環境(80°C 0.1MH2S04水溶液，通入氫氣)中，基體不銹鋼的自腐蝕電位約-320mV，涂層可使自腐蝕電位提高到60mV以上。在高于質子交換膜燃料電池陽極工作電位的-240mV下極化 4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性。
實施例6
合成前，不銹鋼表面需用用水磨砂紙打磨到240#，并經蒸餾水、丙酮清洗及干燥，以使所制備的涂層與不銹鋼基體有良好結合。底層聚吡咯涂層的合成采用雙電極體系，即以鉑片為輔助電極，304不銹鋼為工作電極。涂層制備在0.311101/(11113吡咯和0.311101/^3十二烷基硫酸鈉的水溶液中進行，在合成過程中使用冰水浴的方法將合成溫度保持在5C左右，合成電流恒定在10mAcm'2，合成時間3分鐘，涂層厚度為6um;在304SS/聚吡咯上合成聚苯胺涂層采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片，合成制備在0.5mol/dmS苯胺和lmol/dn^H2S04溶液中進行。掃描電位區間為-0.2 1.0VscE，掃描速率為30mV/s。在合成過程中使用冰水浴的方法將合成溫度保持在5'C左右，循環3次，涂層厚度為4um,最終在不銹鋼的表面形成了一層厚度約為10um的聚吡咯/聚苯胺耐蝕、導電復合涂層。
在25"C下0.3 mol/dm3 HC1水溶液中，基體不銹鋼自腐蝕電位約-360mV (相對飽和甘汞電極，下同)，點蝕電位約-80mV，涂層能夠使其自腐蝕電位提高到100mV以上，同時能抑制基體金屬在自腐蝕電位處的活性溶解，且未發現基體不銹鋼發生點蝕；在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的600 mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性和較高的電導率，不退化。在模擬質子交換膜燃料電池陰極環境(80°C 0.1 mol/dm3 H2S04水溶液，通入空氣)中，基體不銹鋼的自腐蝕電位約-300mV,涂層可使自腐蝕電位提高到llOmV以上。在高于質子交換膜燃料電池陰極工作電位的 600mV下極化4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性和較高的電導率。
在模擬質子交換膜燃料電池陽極環境(80°C 0.1MH2S04水溶液，通入氫氣)中，基體不銹鋼的自腐蝕電位約-320mV，涂層可使自腐蝕電位提高到60mV以上。在高于質子交換膜燃料電池陽極工作電位的-240mV下極化 4小時沒有引起涂層的破壞和金屬的腐蝕。在上述介質中，涂層經長期浸泡后仍能保持良好防護性。
權利要求
1、一種質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板，其特征在于所述不銹鋼雙極板的表面覆蓋一層聚吡咯/聚苯胺耐蝕、導電復合涂層，涂層厚度10～25μm.，底層聚吡咯涂層與頂層的聚苯胺涂層厚度比在1∶1～1∶4之間。
2、按照權利要求1所述質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板，其特征在于復合涂層厚度15士lum。
3、按照權利要求1或2所述質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板，其特征在于底層聚吡咯涂層與頂層的聚苯胺涂層厚度比在l: 3。
4、按照權利要求1所述質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的制備，其特征在于所述涂層采用電化學的方法合成，底層的聚吡咯涂層在0.1~0.4mol/dm3吡咯+0.05^0.3mol/dm3十二烷基硫酸鈉的水溶液中合成，底層厚度通過對合成時間和電流密度的控制來調節；頂層的聚苯胺涂層的合成在0.1 lmol/dmS苯胺+0.1 lmol/dn^硫酸的水溶液中進行，涂層厚度通過對合成的循環次數來調節；頂層和底層在暗箱內進行合成以避免光照，溫度保持在0 5°C。
5、按照權利要求4所述質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的制備，其特征在于底層的聚吡咯涂層在0.4mol/dm3吡咯+0.15mol/dm3十二烷基硫酸鈉的水溶液中合成，合成電流恒定在0.5 10mA/cm'2，電位掃描區間為 -0.2 1V，掃描速率為30mV/s;頂層的聚苯胺涂層的合成在0.5mol/dii^苯胺 +111101/(11113硫酸的水溶液中進行，循環次數為2~6個循環。
6、按照權利要求4或5所述質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的制備，其特征在于使用冰水浴的方法將合成溫度保持在0 5'C左右。
7、按照權利要求4所述質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面的處理方法，其特征在于制備底層聚吡咯涂層采用的是雙電極體系，即以鉑片或不銹鋼片為輔助電極，不銹鋼為工作電極；制備頂層聚苯胺涂層采用的是三電極體系，即以飽和甘汞電極為參比電極，鉑片或不銹鋼片為輔助電極，不銹鋼/聚吡咯為工作電極。
全文摘要
本發明提供一種質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板及其制備，所述不銹鋼雙極板的表面覆蓋一層聚吡咯/聚苯胺耐蝕、導電復合涂層，涂層厚度10～25μm.，底層聚吡咯涂層與頂層的聚苯胺涂層厚度比在1∶1～1∶4之間。本發明具有工藝簡單，不受工件結構形狀限制，處理成本低，涂層在酸性環境中具有優異的抗腐蝕性能等優點，可以提高金屬的耐腐蝕性能和降低金屬的接觸電阻。該涂層首次應用于質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的防護。
文檔編號H01M8/02GK101488574SQ20081001011
公開日2009年7月22日申請日期2008年1月16日優先權日2008年1月16日
發明者任延杰, 曾潮流申請人:中國科學院金屬研究所

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