一种金属纤维毡复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种金属纤维毡复合材料及其制备方法和应用，涉及燃料电池技术领域。本发明专利技术提供的金属纤维毡复合材料包括金属纤维毡和位于所述金属纤维毡上的无定形碳层。金属纤维毡作为流场板可以强化传质，提高燃料电池的反应气体分布均匀性，从而有效提升燃料电池性能。无定形碳层的存在，能够降低金属纤维毡的表面接触电阻，提高金属纤维毡的导电性，应用于燃料电池中能够代替或部分代替燃料电池的气体通道，从而提高燃料电池尤其是质子交换膜燃料电池的输出性能，从而解决以金属纤维毡为流场板的质子交换膜燃料电池堆功率密度低、成本高的问题，在燃料电池中具有很好的应用前景。而且，无定形碳层还能够显著提高金属纤维毡的耐腐蚀性能。毡的耐腐蚀性能。毡的耐腐蚀性能。

【技术实现步骤摘要】
一种金属纤维毡复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种金属纤维毡复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]燃料电池(Fuel cell，FC)是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；而且，燃料电池用燃料和氧化剂(如氧气)作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。
[0003]燃料电池按其电解质类型可以分为磷酸型燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)及质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)等。其中，质子交换膜燃料电池是以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，将氢气或净化重整气等燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，其电池的能量转换效率高，工作环境温度低，启动快，应用前景最为广阔。
[0004]金属纤维毡作为流场板可以强化PEMFC的传质，提高反应气体分布均匀性，从而有效提升PEMFC的电池性能。然而，金属纤维毡的耐腐蚀性较高。通过在金属纤维毡表面设置金属氧化物钝化膜(如四氧化三铁膜)能增强其表面耐腐性。然而该钝化膜也会同时增加金属纤维毡的表面的接触电阻，而界面接触电阻增加会降低燃料电池的输出功率，进而导致燃料电池的功率密度较低。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种一种金属纤维毡复合材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的金属纤维毡复合材料接触电阻低，应用于燃料电池中能够显著提高燃料电池的功率密度。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种金属纤维毡复合材料，包括金属纤维毡和位于所述金属纤维毡上的无定形碳层。
[0008]优选地，所述金属纤维毡与无定形碳层之间还设置有镍层。
[0009]优选地，所述金属纤维毡的厚度为0.655～0.664mm。
[0010]优选地，所述镍层的厚度为3.95～4.05μm。
[0011]本专利技术提供了上述技术方案所述金属纤维毡复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012]在金属纤维毡表面沉积无定形碳，得到金属纤维毡复合材料。
[0013]优选地，当所述金属纤维毡复合材料还包括镍层时，所述沉积无定形碳前还包括
在金属纤维毡表面镀镍形成镍层。
[0014]优选地，所述沉积包括等离子体增强化学气相沉积。
[0015]优选地，所述等离子体增强化学气相沉积的工作条件包括：含碳化合物的流速为1～200sccm；载气的流速为0.1～200sccm；所述沉积的压力＜600Pa，沉积温度为600～750℃。
[0016]优选地，所述含碳化合物包括烃类化合物；
[0017]所述载气包括还原性气体和惰性气体中的至少一种。
[0018]本专利技术提供了上述技术方案所述的金属纤维毡复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的金属纤维毡复合材料在燃料电池中的应用。
[0019]本专利技术提供了一种金属纤维毡复合材料，包括金属纤维毡和位于所述金属纤维毡上的无定形碳层。本专利技术提供的金属纤维毡复合材料中，金属材料易被氧化为金属氧化物，导致材料的导电性变差，而无定形碳层的存在能够降低金属纤维毡的表面接触电阻，提高金属纤维毡的导电性。而且，本专利技术提供金属纤维毡复合材料是一种多孔材料，可以作为阴阳极的气体通道，应用于燃料电池中可以替代金属双极板机加工流道或简化流道，从而提高燃料电池尤其是质子交换膜燃料电池的输出性能，从而解决以金属纤维毡为流场板的质子交换膜燃料电池堆功率密度低、成本高的问题，在燃料电池中具有很好的应用前景。
[0020]而且，石墨双极板不耐压易碎，金属双极板的氧化导电性能差。与传统的材料相比，本专利技术在金属纤维毡表面设置了无定形碳层，无定形碳层的存在不会降低金属纤维毡材料自身的传质性能、提高反应气体分布均匀性以及有效提升燃料电池尤其是质子交换膜燃料电池的电池性能，实现了金属纤维毡和无定形碳层的优势互补，使得金属纤维毡复合材料的耐压性好，强度高，具备优异的综合力学性能及电化学性能，从而为改善清洁能源发电的综合性能提供新的理论依据及技术方法。
[0021]再者，金属纤维毡的耐腐蚀性较差，在金属纤维毡表面覆盖无定形碳层，能够显著提高金属纤维毡的耐腐蚀性能。
[0022]本专利技术提供了上述技术方案所述金属纤维毡复合材料的制备方法，本专利技术提供的制备方法操作简单，生产成本低，绿色环保，适宜工业化生产。
[0023]进一步的，本专利技术采用等离子体增强化学气相沉积方法能够得到致密、不易龟裂的高质量碳膜，能够将金属纤维毡的电阻率降低一万倍以上，进一步提高了金属纤维毡复合材料的导电性以及耐腐蚀性；而且，采用等离子体增强化学气相沉积方法，无定形碳的沉积速率快且沉积温度低，大大提高了金属纤维毡复合材料的制备效率高并降低了其能耗。
附图说明
[0024]图1为等离子体增强化学气相沉积采用的工艺流程示意图；
[0025]图2为乙炔的分解反应所需要的温度对应的反应压力的曲线图；
[0026]图3为实施例3制备的金属纤维毡复合材料的表面SEM图；
[0027]图4为实施例3制备的含有镍层的不锈钢纤维毡的实物图；
[0028]图5为实施例3制备的金属纤维毡复合材料的实物图。
具体实施方式
[0029]本专利技术提供了一种金属纤维毡复合材料，包括金属纤维毡和位于所述金属纤维毡上的无定形碳层。
[0030]在本专利技术中，所述金属纤维毡优选包括不锈钢金属纤维毡；所述金属纤维毡的厚度优选为0.655～0.664mm，更优选为0.658～0.662mm。
[0031]在本专利技术中，所述金属纤维毡与无定形碳层之间优选还设置有镍层，所述镍层的厚度优选为3.95～4.05μm，更优选为3.98～4.02μm。
[0032]本专利技术提供了上述技术方案所述金属纤维毡复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0033]在金属纤维毡表面沉积无定形碳，得到金属纤维毡复合材料。
[0034]在本专利技术中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
[0035]在本专利技术中，当所述金属纤维毡复合材料还包括镍层时，所述沉积无定形碳前还优选包括在金属纤维毡表面镀镍形成镍层。本专利技术对于所述镀镍没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的镀镍方法和条件，能够得到厚度为3.95～4.05μm的镍层即可。
[0036]在本专利技术中，所述沉积优选包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。在本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属纤维毡复合材料，其特征在于，包括金属纤维毡和位于所述金属纤维毡上的无定形碳层。2.根据权利要求1所述的金属纤维毡复合材料，其特征在于，所述金属纤维毡与无定形碳层之间还设置有镍层。3.根据权利要求1或2所述的金属纤维毡复合材料，其特征在于，所述金属纤维毡的厚度为0.655～0.664mm。4.根据权利要求2所述的金属纤维毡复合材料，其特征在于，所述镍层的厚度为3.95～4.05μm。5.权利要求1～4任一项所述金属纤维毡复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在金属纤维毡表面沉积无定形碳，得到金属纤维毡复合材料。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，当所述金属纤维毡复合材料还包括镍层时，所述沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯秦龙，葛鹏，卢广轩，宁静，胡子圆，
申请(专利权)人：西部金属材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：