一種質子交換模燃料電池金屬雙極板濕磨溫壓燒結方法與流程

本發明涉及燃料電池技術領域的制造方法，具體的是一種質子交換模燃料電池金屬雙極板壓模燒結制備方法。

背景技術：

質子交換模燃料電池(pemfc)是一種能夠將氫氣與氧氣在催化劑的作用下發生電化學反應，不經燃燒，直接將化學能轉化成電能的裝置。pemfc具有能量轉化率高、功率密度高、環境友好、低溫啟動、噪音低、體積小等優勢。pemfc主要由三部分構成，即膜電極(mea)、雙極板和電池管理系統。雙極板作為pemfc的關鍵組成部分，在電池運作過程中起到氣體分配、排出反應產物、收集電流和電池熱管理的作用，因此雙極板質量的好壞將直接決定燃料電池堆輸出功率的大小和使用壽命的長短。

目前pemfc雙極板材料的研究主要集中在石墨、金屬以及復合材料。通常使用的雙極板為機械加工的石墨雙極板，技術比較成熟，但是由于石墨板脆性較大，機械加工性能差，以目前的機械加工方式無法實現大批量生產，很難大幅度降低加工成本；同時石墨板不適合在車載工況等惡劣的環境下使用，在很大程度上限制了其使用范圍。

與石墨板相比較，金屬板則具有良好的導電性、導熱性以及好的力學強度和機械加工性。目前對金屬雙極板材料的研究主要集中在不銹鋼材料上。不銹鋼具有高導熱、導電性，可通過沖壓、蝕刻或電解來加工氣體流場和冷卻水流場，并可加工成薄板，減少電池體積，由此可改善電池的熱管理，降低燃料電池堆成本，是一種極具前途的燃料電池雙極板基材。但不銹鋼材料自身電阻較高，且在燃料電池的高溫及ph約2～3的酸性環境下易發生溶解和腐蝕，在金屬離子滲透入質子交換膜時會降低膜內離子導電率降低以及腐蝕層會增加燃料電池內阻，直接影響電池的輸出性能和使用壽命。為此人們已采取pvd或vcd法在金屬表面進行沉積涂層或對不銹鋼雙極板表面改性處理，以克服上述不足。

隨著金屬板研究的興起，對雙極板的研究很多，主要集中在金屬雙極板的加工和金屬雙極板表面的改性上。對于金屬雙極板的成型工藝研究，經對現有的文獻檢索發現，上海交通大學提出并開發了一種基于輥壓成型的質子交換模燃料電池金屬雙極板制造方法，在同一個加工的工藝流程中，能實現單極板流道輥壓成形、沖孔等多種連續工位的制造工藝，具有很高的生產效率。但是在滾壓過程中，由于金屬板與輥子的接觸由面接觸變成線接觸，接觸面積急劇減小，容易產生局部壓力不均勻，而且在輥子上凸出的流道表痕，在多次擠壓之后容易發生輕微位移或變位，從而導致加工精度降低。中國科學院大連物理化學研究所提出的利用油壓沖床進行金屬雙極板的沖壓加工，武漢理工大學也提出的利用軟膜沖壓技術進行金屬雙極板的沖壓生產，由此可見沖壓加工能夠有效加工出滿足燃料電池雙極板設計要求的流場流道，且易于生產加工，但是由于雙極板的流場通道的尺寸特征極為精密，其設計尺寸小到毫米級別，微小尺度的加工特點與普通沖壓極為不同，在制造過程中會表現出極強的尺寸效應。由于在多工位加工過程中，模具的重新定位易產生誤差，因此，此類方法一定程度上限制了沖壓工藝的發展。

上述提到的金屬雙極板加工方法易出現加工精度缺陷，輥壓接觸和多工位模具重新定位時，在金屬雙極板批量加工生產時尺寸誤差出現幾率較大。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提出一種質子交換模燃料電池金屬雙極板濕磨溫壓燒結方法，該制備方法能夠批量、高效、低成本的制備不銹鋼雙極板，易于實現金屬雙極板的批量生產。

為了實現上述目的，本發明主要通過一下技術方案得以解決：

一種質子交換模燃料電池金屬雙極板濕磨溫壓燒結方法，其中，包括步驟：

(1)將420不銹鋼粉末與316l不銹鋼粉末按百分比為(72～68)：(28～32)的比例混合后，加入研磨劑，在球磨機中進行濕磨研磨，研磨時間14～24小時，然后將研磨后的混合料保溫在90℃環境中，干燥3～4小時；

(2)將316l不銹鋼粉放入球磨機，加入研磨劑進行濕磨研磨，研磨時間10～20小時，然后將研磨后的316l不銹鋼濕粉干燥3～4小時，并保溫在90℃；

(3)將步驟(1)中干燥后的金屬粉料加入添加劑，然后放入攪拌器中將(1)中的金屬粉料與添加劑混合均勻，并對混合均勻的金屬粉料過篩，得到壓制金屬雙極板毛坯的原材料；

(4)將步驟(2)中干燥后的金屬粉料添加添加劑，然后放入攪拌器中將(2)中的金屬粉料與添加劑混合均勻，并對混合均勻的金屬粉料過篩，得到壓制金屬雙極板毛坯的原材料；

(5)先將步驟(3)獲得的毛坯原材料按單個雙極板材料質量百分比例的30％～40％加入到模具中，再在模具中加入質量百分比例為60％～70％步驟(4)獲得的毛坯原材料,在壓力機下壓制粉料，制得雙極板毛坯，利用工具將模具中的金屬雙極板毛坯放入鐵舟，并將鐵舟連同金屬雙極板毛坯一起放入碳化硅棒爐中進行預燒；

(6)預燒結束之后，將步驟(5)中的金屬雙極板毛坯轉入石墨舟皿中，然后將石墨舟皿連同雙極板坯料一起放入網帶爐中進行程序性升溫燒結，升高到指定溫度后隨爐冷卻到特定溫度；

(7)將(6)中冷卻后的雙極板坯料再轉移至模具中進行復壓，然后再回爐保溫，并隨爐冷卻，最后對燒結冷卻后的雙極板進行一些表面拋光處理得到成品。

所述一種質子交換膜燃料電池金屬雙極板濕磨溫壓燒結方法，其中，所述步驟(1)、(2)中的研磨劑為無水乙醇，且研磨劑的添加量為200～300ml/kg。

所述一種質子交換膜燃料電池金屬雙極板濕磨溫壓燒結方法，其中，步驟(3)、(4)中的添加劑為2％～8％(質量分數)銅基合金。

所述一種質子交換膜燃料電池金屬雙極板濕磨溫壓燒結方法，其中，步驟(3)、(4)中的采用80目的篩網進行過篩。

所述一種質子交換膜燃料電池金屬雙極板濕磨溫壓燒結方法，其中，步驟(5)中的模具預熱溫度為120℃。

所述一種質子交換膜燃料電池金屬雙極板濕磨溫壓燒結方法，其中，步驟(5)中的壓力機為液壓機，壓力機噸位為200kn～500kn。

所述一種質子交換膜燃料電池金屬雙極板濕磨溫壓燒結方法，其中，步驟(5)中預燒溫度為780℃，升溫速度為3℃/min,保護氣氛圍氫氣。

所述一種質子交換膜燃料電池金屬雙極板濕磨溫壓燒結方法，其中，步驟(6)中燒結溫度為1130℃，保護氣氛為分解氨，帶速為80mm/min。

所述一種質子交換膜燃料電池金屬雙極板濕磨溫壓燒結方法，其中，步驟(7)中雙極板的復壓溫度為180～200℃。

附圖說明

圖1為質子交換膜燃料電池雙極板制件圖

[圖2為質子交換膜燃料電池雙極板壓制成型示意圖

具體實施方式

為了說明本發明制備方法的具體實現過程，在下述實施中以配比為72:28的420和316l不銹鋼混合粉料，與316l不銹鋼粉末共同壓制為例具體解釋操作過程及所涉及的附圖。如下實施過程所提供的雙極板流場類型及材料配比實僅為示意性的，并不對本發明構成特別的限定。

原料選用420不銹鋼粉末和316l不銹鋼粉末。先將420不銹鋼粉末與316l不銹鋼粉末按百分比例為78:28的配比放入球磨機中，再加入一定量的200ml/kg無水乙醇進行濕磨，研磨時間為16小時，然后將研磨后的混合料保溫在90℃并干燥3小時；在另外一臺研磨機中將316l不銹鋼粉末加入球磨機，再加入一定量的200ml/kg無水乙醇進行濕磨，研磨時間15小時，然后將研磨后的混合料干燥3小時，并保溫在90℃；將干燥完成后的兩種坯料粉末分別添加4％(質量分數)銅基合，進行充分的混合，并過80目篩，得到金屬板毛坯件制作的原材料。

本例以圖1所示的雙極板為模型；將圖2所示的1(上模座)、3(模具邊框)、4(下模座)進行預熱，加熱到120℃，然后在其工作的表面涂上潤滑劑，將過篩后的420和316l混合粉料按單個雙極板材料質量百分比例的40％加入到模具中，再加入質量百分比例為60％的316l過篩不銹鋼粉末，然后將合模后的模具放在壓力機上快速壓制，并保壓一段時間；將壓制后的毛坯用電磁鐵吸出放在鐵舟之中，并將毛坯件連同鐵舟一起放入碳化硅棒爐中進行預燒，預燒溫度為780℃，升溫速度為3℃/min,保護氣氛為氫氣；燒到780℃時保溫1小時，然后將毛坯用電磁鐵吸附放入模具之中，進行復壓；復壓之后將毛坯用電磁鐵吸附放入石墨舟皿中，然后將石墨舟皿連同雙極板坯料一并放入網帶爐中進行程序性升溫燒結，在網帶爐中最終的燒結溫度為1130℃，保護氣氛為分解氨，帶速為80mm/min；冷卻至780℃時進行再次復壓，以減少燒結過程中的氣孔產生，復壓之后放入網帶爐之中，隨爐冷卻；最終燒結的雙極板420不銹鋼粉末與316l不銹鋼粉末混合的那一面硬度約為33hrc，密度可達到7.02g/cm3，且具有較好的耐腐蝕性，316l的不銹鋼雙極板面硬度約為76hrb，密度為6.86g/cm3。由此法加工的金屬雙極板有很好的致密性，且具有很強耐腐蝕性，且加工精度高，適宜批量生產。

本發明的應用不限于上述的舉例，對本領域技術人員來說，可根據上述說明進行改進，所有這些改進都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。