铝合金端板涂层及其制备方法、含其的端板和燃料电池技术

本发明专利技术公开了铝合金端板涂层及其制备方法、含其的端板和燃料电池。本发明专利技术的铝合金端板涂层的制备方法，包括将所述铝合金端板进行喷砂处理、清洗、阳极氧化、封孔处理的步骤，采用铬酸、或者硼酸与硫酸的混合溶液、或者己二酸与硫酸的混合溶液为电解液，在电解液中添加混合添加剂，控制阳极氧化的温度为‑5～15℃，氧化时间为15～40min，工作电压为15～25V，电流密度为1.5～4.5A/dm

Aluminum alloy end plate coating and its preparation method, end plate and fuel cell containing it

【技术实现步骤摘要】
铝合金端板涂层及其制备方法、含其的端板和燃料电池
本专利技术涉及铝合金端板涂层及其制备方法、含其的端板和燃料电池。
技术介绍
质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，通过电化学方法将化学能转化成电能，反应产物为水，对环境无污染。质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高(50-80％)、低温下快速启动、功率密度高等优点，可应用于新能源汽车、分布式能源和便携式小型电源等，目前受到各国政府和能源、汽车企业的广泛关注。电堆是质子交换膜燃料电池发电系统的核心模块，常规燃料电池主要由膜电极、阳极板、阴极板、绝缘板、集流板、端板和密封层等部件组成。端板作为电堆的关键部件之一，通过紧固部件连接各电池组件，形成稳固的电堆结构，并将预紧力均匀分配到电堆内部各组件，因此，端板材料需要具备一定的强度。由于质子交换膜燃料电池一般在80℃的温度下运行，端板在此温度下需要保持一定的强度，不能发生软化变形。此外，在燃料电池运行过程中，进气口需要增湿，反应生成的水随气体一起排出，故进出口处是高湿度气体或者气液两相流，电池内部呈现弱酸性，这就要求端板耐酸腐蚀。为了提高整个电池组的重量比功率和体积比功率，端板在保持足够强度的同时，需要尽可能降低其密度。因此，能够应用于质子交换膜燃料电池组的端板需要具备绝缘性好、耐腐蚀、密度小、强度高等性能。目前常用的端板材料主要包括金属、工程塑料、聚砜材料，其中金属钛板、不锈钢板等金属材料强度高，但是需要在集流板和端板之间加入绝缘板(工程塑料)，这样就会使燃料电池系统复杂化。工程塑料和聚砜材料的端板热稳定不够好，在电池组运行温度下易发生变形，并且该材质的端板由于需要保持一定的强度，设计时通常重量较大。现有的质子交换膜燃料电池端板存在以下问题：1、质子交换膜燃料电池电堆的集流板和端板都采用金属材料，需要在这两者之间增加绝缘板，这不仅增加了部件，还会增加密封的难度以及装配电堆的复杂性。2、采用现有恒定电流密度的阳极氧化工艺，涂层强度无法达到高性能燃料电池的要求，并且氧化膜材料的种类受到很大限制。采用现有恒定电压的阳极氧化工艺，然后在沸水中封闭，氧化层内部存在缺陷，在电池组运行过程中会发生腐蚀，不能满足燃料电池对端板性能的要求。3、采用金属材料作为燃料电池端板材料，由于需要在端板上开流体通孔，流体通过集电板上的通孔进入各单电池，由于流体长期冲刷集电板的通孔，导致集电板镀层出现腐蚀或者脱落，集电板表面也会发生腐蚀，集电板中金属离子会被大量带入燃料电池的阴极和阳极催化层，从而毒害催化剂，影响催化剂性能。4、质子交换膜燃料电池电堆在装配过程中，通常只施加一次预压紧力，容易造成双极板断裂和端板表面的涂层出现损坏。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于：解决燃料电池轻量化、结构简化，避免电堆装配过程中端板表面出现损坏，提升耐磨损、硬度和结合强度，提升耐腐蚀性能，有效阻止金属离子进入催化层，避免金属离子对催化剂造成的毒害，提高电堆的稳定性，延长电堆使用寿命。本专利技术提供了铝合金端板涂层的制备方法，包括将所述铝合金端板进行喷砂、清洗、阳极氧化、封孔处理。其中，所述阳极氧化中的电解液为30～50g/L的铬酸；或者为5～10g/L硼酸与30～50g/L硫酸的混合溶液，所述硼酸和硫酸的混合体积比为1:0.5～3；或者为10～25g/L己二酸与30～50g/L硫酸的混合溶液，所述己二酸和硫酸的混合体积比为1:1～5。其中，所述的铝合金端板为常规铝合金端板。铝合金端板可以从上海标凡机械配件有限公司采购获得。其中，进一步的，选用的铝合金端板可以为的弹性模量70GPa，泊松比0.33，抗拉强度100～300Mpa。其中，所述电解液中添加混合添加剂，混合添加剂占总溶液的含量为0.1～3g/L。其中，进一步的，混合添加剂添加后占总溶液的含量为0.1～0.6g/L。其中，所述混合添加剂为HfOCl2和异丙醇，两者的物质量之比为1:3～5；或者，混合添加剂为TaCl5和乙醇，两者的物质量之比为1:3～5；或者，混合添加剂为WCl4和异丙醇，两者的物质量之比为1:8～12；或者，混合添加剂为ReCl3和乙醇，两者的物质量之比为1:3～5。其中，控制所述阳极氧化的条件为，温度为-5～15℃，氧化时间为15～40min，工作电压为15～25V，电流密度为1.5～4.5A/dm2。其中，进一步的，控制所述阳极氧化的条件为，温度为5～10℃，氧化时间为15～40min，工作电压为15～20V，电流密度为1.5～4.5A/dm2。其中，进一步的，选用高纯铅板或石墨板作为阴极材料。其中，进一步的，所述端板喷砂前采用酒精清洗端板表面。其中，进一步的，所述喷砂处理为在0.5-1MPa空气压力下，选用10-25目刚玉砂对端板进行喷砂处理。其中，更进一步的，喷砂后，表面清洁度达到Sa2级以上。其中，进一步的，所述喷砂后清洗处理选用15～35g/LNaOH和20～30g/LNaCO3的混合溶液或者中性有机溶剂作为除油剂，在20～45℃下清洗端板1～5min，然后选用300～400g/LHNO3的溶液作为酸洗剂，在20～25℃下清洗端板1～5min；其中，更进一步的，所述NaOH和NaCO3的配比为1:2～5。其中，更进一步的，所述中性有机溶剂为丙酮。其中，在所述阳极氧化后再次清洗端板。其中，进一步的，所述清洗选用去离子水清洗。其中，所述封孔处理采用将端板浸入重铬酸钾溶液进行。重铬酸钾溶液可以从上海阿拉丁生化科技股份有限公司购买，规格为1/24mol/L(0.25N)。控制封孔处理中重铬酸钾溶液浓度为40～75g/L，pH为5～7，温度为80～95℃，时间为20～45min。本专利技术提供了通过上述制备方法制备得到的涂层，所述涂层包括阻挡层、表面层和表面层上的封闭层，阻挡层位于表面层和端板之间。其中，表面层中具有微孔层。其中，所述阻挡层厚度为0.01～10μm，表面层厚度为10～100μm，封闭层厚度为1～20μm。其中，所述涂层孔隙率为1～5％。其中，进一步的，所述阻挡层厚度为8～10μm，表面层厚度为40～50μm，封闭层厚度为2～3μm。其中，所述涂层孔隙率为3～5％。其中，进一步的，所述涂层为类等轴晶结构，所述表面层与微孔层相互平行。本专利技术采用显微硬度仪测试硬度，SEM照片测试孔隙率。本专利技术提供了包含有上述涂层的铝合金端板。本专利技术提供了包含有上述铝合金端板的质子交换膜燃料电池，包括铝合金端板、集流板、阳极板、阴极板和密封层。显微硬度测试：显微显微硬度测试，选择单件试样的5个不同位置测试；D1和D2为两压痕对角线长度，一般测试两个值取平均值；HV为维氏硬度，HRC为洛氏硬度，HB为布氏硬度；硬度值越高，耐磨性能越好。结合强度测试：使用高强度胶胶粘在定制接头上，采用材料试验机测试将镀层从基底金属上剥离所需要的力，按接头的接触面积来计算涂层与铝合金端板的结合强度。在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本专利技术各较佳实例。本专利技术所用试剂和原料均市售可得。本专利技术的积极进步效果在于：1、本专利技术采用铝合金作为端板，在端板表面原位形成一层绝缘层，无需在集电板和端板之间额外增加绝缘层，将端板和集流板进行整合，简化了电堆结构，实现了轻量化的要求。2、采用阳极氧化制备端板涂层，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.铝合金端板涂层的制备方法，其特征在于，包括将所述铝合金端板进行喷砂处理、清洗、阳极氧化、封孔处理；所述阳极氧化中的电解液为30～50g/L的铬酸；或者为5～10g/L硼酸与30～50g/L硫酸的混合溶液，所述硼酸和硫酸的混合体积比为1:0.5～3；或者为10～25g/L己二酸与30～50g/L硫酸的混合溶液，所述己二酸和硫酸的混合体积比为1:1～5；所述电解液中添加混合添加剂，混合添加剂占总溶液的含量为0.1～3g/L；所述混合添加剂为HfOCl2和异丙醇，两者的物质量之比为1:3～5；或者，所述混合添加剂为TaCl5和乙醇，两者的物质量之比为1:3～5；或者，所述混合添加剂为WCl4和异丙醇，两者的物质量之比为1:8～12；或者，所述混合添加剂为ReCl3和乙醇，两者的物质量之比为1:3～5。

【技术特征摘要】
1.铝合金端板涂层的制备方法，其特征在于，包括将所述铝合金端板进行喷砂处理、清洗、阳极氧化、封孔处理；所述阳极氧化中的电解液为30～50g/L的铬酸；或者为5～10g/L硼酸与30～50g/L硫酸的混合溶液，所述硼酸和硫酸的混合体积比为1:0.5～3；或者为10～25g/L己二酸与30～50g/L硫酸的混合溶液，所述己二酸和硫酸的混合体积比为1:1～5；所述电解液中添加混合添加剂，混合添加剂占总溶液的含量为0.1～3g/L；所述混合添加剂为HfOCl2和异丙醇，两者的物质量之比为1:3～5；或者，所述混合添加剂为TaCl5和乙醇，两者的物质量之比为1:3～5；或者，所述混合添加剂为WCl4和异丙醇，两者的物质量之比为1:8～12；或者，所述混合添加剂为ReCl3和乙醇，两者的物质量之比为1:3～5。2.按权利要求1所述的制备方法，其特征在于，控制所述阳极氧化的条件为，温度为-5～15℃，氧化时间为15～40min，工作电压为15～25V，电流密度为1.5～4.5A/dm2；和/或，选用高纯铅板或石墨板作为阴极材料；和/或，所述喷砂处理前采用酒精清洗端板表面；和/或，所述喷砂处理为在0.5-1MPa空气压力下，选用10-25目刚玉砂进行；和/或，所述硼酸和硫酸的混合体积比为1:1；和/或，所述己二酸和硫酸的混合体积比为1:3。3.按权利要求2所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：付超，王亚蒙，倪蕾蕾，季文姣，
申请(专利权)人：上海电气集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31