一种水电解制氢用双极板表面改性方法及双极板技术

本发明专利技术提供了一种水电解制氢用双极板表面改性方法及双极板，涉及燃料电池技术领域，能够在双极板表面制备C

【技术实现步骤摘要】
一种水电解制氢用双极板表面改性方法及双极板


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种固体电解质水电解制氢与燃料电池用双极板表面改性方法及双极板。

技术介绍

[0002]双极板作为SPE水电解制氢与燃料电池装置中关键部件之一，对装置的运行寿命，成本以及大范围应用有非常大的影响。金属材料有着优良的导电导热性能、功率密度大、阻气性较好、机械强度高、易于加工和生产成本较低等优点。然而，金属材料如不锈钢在长期使用过程中会出现腐蚀行为，腐蚀后金属离子的出现一定程度上会阻碍质子的迁移，对膜电极也会有一定的毒害作用。金属材料中钛表面极易氧化生成一层致密的氧化膜，虽然氧化膜的存在很大程度上阻碍了腐蚀行为的进行，提高了自身的耐蚀性，但这也会增加其与扩散层之间的界面接触电阻，这也就造成整个电堆的欧姆损耗。因此，依靠金属材料的自身特性来同时满足较高的耐蚀性和较低的接触电阻的需求是难以实现的。目前金属双极板表面改性的方法是主要是通过电镀，磁控溅射，包埋共渗等方法在金属双极板基底上制备一层贵金属涂层、金属碳/氮化物涂层、导电聚合物涂层以提高基体材料的导电性与耐腐蚀性，但这些方法普遍存在工艺技术复杂，成本较高等问题。
[0003]因此，有必要研究一种固体电解质水电解制氢与燃料电池用双极板表面改性方法及双极板来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种水电解制氢用双极板表面改性方法及双极板，能够在双极板表面制备C
‑
N/导电材料复合涂层，显著提高双极板的导电性和耐腐蚀性，且工艺简单，易于推广。
[0005]一方面，本专利技术提供一种水电解制氢用双极板表面改性方法，所述方法的步骤包括：
[0006]S1、将导电材料分散在溶剂中，得到第一溶液；
[0007]S2、向所述第一溶液中加入稳定剂，搅拌后得到第二溶液；
[0008]S3、将预处理好的双极板基板放入所述第二溶液中进行电泳沉积，得到制备有薄膜的基板；
[0009]S4、对所述制备有薄膜的基板进行烧结，得到最终具有改性涂层的双极板。
[0010]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3中双极板基板的预处理内容包括：将原始基板放入配置好的酸溶液中侵蚀，去除表面氧化层。
[0011]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述导电材料为氮化钛、氮化铬、碳化钛和石墨烯中的任意一种或多种。
[0012]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一溶液中导电材料的浓度为0.1g/L～10g/L。
[0013]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述溶剂为水、甲醇、乙醇、丁醇、异丙醇和丙酮中的任意一种或多种。
[0014]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述稳定剂为聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺、聚合氯化铝和阴离子聚丙烯酰胺中的任意一种或多种。
[0015]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述稳定剂在所述第二溶液中的占比为0wt.％～4wt.％。
[0016]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3中电泳沉积电压为3V～45V，电泳沉积时间为30s～600s。
[0017]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中，烧结温度为300℃～600℃，保温时间为1h～4h。
[0018]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述酸溶液为H2NO3和HF的混合溶液，所述酸溶液中各成分体积比例为HF:H2NO3:H2O＝1:4:5、HF:H2NO3:H2O＝1:8:10、HF:H2NO3:H2O＝1:12:15。
[0019]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述双极板基板为钛基板或不锈钢基板。
[0020]另一方面，本专利技术提供一种水电解制氢用双极板，所述双极板采用如上任一所述的方法改性得到；
[0021]所述双极板的表面设有C
‑
N/导电材料复合涂层。
[0022]与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本专利技术通过电泳沉积法将导电材料沉积至基体表面，然后通过烧结使得稳定剂分解碳化，制得C
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N/导电材料复合涂层；工艺简单高效，无需特别的设备，成本低，适用范围广；
[0023]上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：能够提高钛/不锈钢双极板导电性与耐腐蚀性，具有广阔的应用前景；高导电性能，经过10小时1.7V高电位极化后接触电阻仍然在低范围保持稳定；
[0024]上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：改进空间广，本专利技术还可以通过引入不同类型的导电材料(碳纳米管、纳米氮化钛、纳米碳化铬等)和稳定剂(聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺、聚合氯化铝和阴离子聚丙烯酰胺等)，通过调整各组分的不同比例，实现对金属双极板性能不同程度的提高。
[0025]当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0027]图1是本专利技术一个实施例提供的样品制备步骤示意图；以要处理的样品基底为阴极，外接电源在电解池里进行阴极电泳，是氮化钛颗粒在电场力的作用下吸附在样品表面形成保护涂层，经过低温处理后，涂层中有机物碳化氮化钛分子团聚在一起，为电子的传输提供了通道，从而提高了涂层的导电性能。
[0028]图2是本专利技术一个实施例提供的沉积后样品实物图；本实验可根据样品的大小，调
整电解槽，沉积电压和时间，具有制备大面积样品及商业化应用基础。
[0029]图3是本专利技术一个实施例提供的5V电压下沉积180s后涂层扫描电镜形貌图和XPS图，从上到下依次为未烧结、300℃烧结温度和400℃烧结温度三种情况；从图中可以看到，未烧结的样品在沉积后，涂层表面有断裂缝隙，而经过低温烧结处理后的样品则团聚粘结在一起。图中Binding Energy代表结合能，Intensity代表强度。
[0030]图4是本专利技术一个实施例提供的烧结后样品在0.5mol/L H2SO4+2PPM F
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溶液中的动电位极化曲线图；可以看到经过处理后的样品腐蚀电位(potential)均高于未处理的基体，腐蚀电流密度也较未处理样品低了两个数量级，说明涂层的制备对样品的耐腐蚀性能有很大的提高。
[0031]图5是本专利技术一个实施例提供的1.7V恒电位极化后样品在不同烧结温度下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水电解制氢用双极板表面改性方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：S1、将导电材料分散在溶剂中，得到第一溶液；S2、向所述第一溶液中加入稳定剂，搅拌后得到第二溶液；S3、将预处理好的双极板基板放入所述第二溶液中进行电泳沉积，得到制备有薄膜的基板；S4、对所述制备有薄膜的基板进行烧结，得到最终具有改性涂层的双极板。2.根据权利要求1所述的水电解制氢用双极板表面改性方法，其特征在于，步骤S3中双极板基板的预处理内容包括：将原始基板放入配置好的酸溶液中侵蚀，去除表面氧化层。3.根据权利要求1所述的水电解制氢用双极板表面改性方法，其特征在于，所述导电材料为氮化钛、氮化铬、碳化钛和石墨烯中的任意一种或多种。4.根据权利要求3所述的水电解制氢用双极板表面改性方法，其特征在于，所述第一溶液中导电材料的浓度为0.1g/L～10g/L。5.根据权利要求1所述的水电解制氢用双极板表面改性方法，其特征在于，所述溶剂为水、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新东，单东方，刘高阳，王冬冬，张衡，刘月，申桂鑫，彭善龙，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：