專利名稱：聚合物電解質膜燃料電池塊狀金屬玻璃雙極板及其制法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于燃料電池電極技術領域。特別涉及聚合物電解質膜燃料電池的雙極板。
背景技術：
除了具有能量轉化效率高、壽命長、環(huán)境友好等特點，聚合物電解質膜燃料電池因其工作溫度低、啟動快而作為交通運輸和建設分散電站的動力源，是一種軍民通用的可移動電源。然而，高成本、重量和體積等因素在很大程度上限制了聚合物電解質膜燃料電池的大規(guī)模商業(yè)化應用。因此，降低成本已經(jīng)成為各國政府和研究者的關注熱點。雙極板是聚合物電解質膜燃料電池中重要的多功能組件之一，不僅具有分隔反應氣體、集流導電、支撐膜電極和導熱作用，還能通過與流場板結合為反應氣體提供通道以便使其分布均勻，并將生成的水排出。石墨具有良好的導電性和化學穩(wěn)定性，一直被認為是理想的聚合物電解質膜燃料電池雙極板材料。但其脆性大、強度低難以制備低重量、低體積的燃料電池組。此外，通過機加工方式在表面各種流場的工藝耗時且費用高，從而導致石墨板的成本約占質子交換膜燃料電池成本的80%。金屬材料因良好的強韌性、導電性和氣密性有潛力代替石墨。金屬不僅可以加工成厚度為0. 1 0. 3mm的薄板，還可以采用機械加工和沖壓的方法加工成各種流場板，更適合于大批量生產(chǎn)，進而大幅度提高聚合物電解質膜燃料電池的質量比功率和體積比功率。目前采用的金屬雙極板材料有鐵基合金、鎳基合金和鋁、鈦及其合金等。在聚合物電解質膜燃料電池運行的過程中，由于質子交換膜的部分降解和電極的特有制備工藝導致工作環(huán)境中含有SO廣、SO32_、CO32_、HSO4_和HSO3_等離子[1]。因此，金屬雙極板不可避免地要發(fā)生電化學腐蝕。盡管金屬雙極板表面生成的鈍化的氧化物層可以抑制金屬的進一步腐蝕，同時也引起了難以滿足實際要求的高表面接觸電阻[2_4]。所有這些因素勢必會造成一些電能的消耗和燃料電池組總效率的降低，從而降低電池組的性能和功率輸出。為此，通過表面改性技術來提高其表面導電性和耐蝕性對金屬雙極板的制備和生產(chǎn)具有重要的意義，也必將對聚合物電解質膜燃料電池的發(fā)展和廣泛應用產(chǎn)生深遠的影響。貴金屬涂層因其成本高而不適于生產(chǎn)低成本的電池組。采用PVD[5_1(I]、CVD[11_13]和電鍍[14’w 等不同的方法制備的氮化物和氧化物涂層則因其制備工藝的限制而生成難以避免的微孔和微裂紋等缺陷會因為局部腐蝕而剝落，從而引起聚合物電解質膜燃料電池的使用壽命降低。到目前為止，還沒有一種通過表面處理的金屬雙極板得以大規(guī)模的市場應用。因此，發(fā)展低成本、高表面導電性和良好耐蝕性的雙極板是聚合物電解質膜燃料電池的必然趨勢， 也必將對聚合物電解質膜燃料電池的商業(yè)化進程產(chǎn)生重要的影響。參考文獻[l]Li Y, Meng W, Swathirajan S, Harris S, et al. US Patent 5624769,20 Aprill997.[2]Scholta J,Rohland B,Garche J.Proceedings of the Second International
3Symposium on New Materials for Fuel Cell and Modern Battery Systems, Ecole Polytechnique de Montreal, Canada,1997, p330-334.[3]Davies D P, Adcock P L, Turpin M, et al. J. Appl. Electrochem. 2000,30 101-105.[4]Hentall P L,Barry L，M印sted Gary 0. J. Power Sources 1999,80 :235-241.[5]Ma L, Warthesen S, Shores D A. J. New Mater. Electrochem. Syst. 2000,3 221-228.[6]Li M, Luo S, Zeng C, et al. Corros. Sci. 2004,46 :1369-1380.[7]Cho E A,Jeon U. -S,Hong S. -A,et al. J. Power Sources 2005,142 :177-183.[8]Wang Y, Northwood D. 0. Int. J. Hydrogen Energy 2007,32 :895-902.[9]Wang Y, Northwood D. 0. J. Power Sources 2007，165 :293-298.[10]Jeon W. -S, Kim J. _G，Kim Y. -J, et al. Thin Solid Films 2008,516 3669-3672.[lljffang H, Turner J A. J. Power Sources 2007,170 :387-394.[12]Wang H, Turner J A, Lin X，et al. J. Power Sources 2007,171 :567-574.[13]ffang H, Turner J A, Lin X，et al. J. Power Sources 2008,178(2008) 238-274.[14]Lee S-J, Lai J-J，Huang C-H. J. Power Sources 2005,145 :362-368.[15]Lee S-J,Huang C-H,Lai J-J,et al. J. Power Sources 2004，131 :162-168.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低成本的具有優(yōu)良的導電性、耐蝕性、易于生產(chǎn)加工且能夠滿足大規(guī)模市場應用要求的聚合物電解質膜燃料電池塊狀金屬玻璃雙極板及其制備方法。為了能夠達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案本發(fā)明所提供的聚合物電解質膜燃料電池鋯基塊狀金屬玻璃雙極板， 厚度為0. 1 3mm。鋯基塊狀金屬玻璃以鋯、鈮、銅、鎳和鋁為組元，其組成公式 Zr60^xNbxCu20Al10Ni10 (x = 0-20)。各元素 Zr、Nb、Cu、Ni、Al 原料的純度均不低于 99. 95wt% (重量百分比)。所述的鋯基塊狀金屬玻璃至少含有95ν01% (體積百分比)的非晶相。腐蝕速度低于10 μ A/cm2。當壓力為150 250N/cm2時，接觸電阻低于IOmQ · cm2。本發(fā)明所提供的鋯基塊狀金屬玻璃的制備方法，包括如下的步驟按照組成公式 Zr60^xNbxCu20Al10Ni10(x = 0-20)所需要的原子摩爾比例配料。母合金錠在氬氣保護下經(jīng)電弧熔煉而成，至少重熔3次以保證其化學均勻性。真空電弧爐電流為150 250Α。然后采用Cu模鑄造制備成厚度為0. 1 3mm的鋯基塊狀金屬玻璃板材。本發(fā)明提供的鋯基塊狀金屬玻璃雙極板優(yōu)點在于鋯基塊狀金屬玻璃可以應用于聚合物電解質膜燃料電池雙極板材料領域。本發(fā)明制備的鋯基塊狀金屬玻璃所需臨界冷卻速率低，抑制結晶能力強，比其他方法更易于形成大尺寸的非晶合金。由于具有較寬的過冷液相區(qū)和較高的玻璃轉變溫度和晶化溫度，鋯基塊狀金屬玻璃的熱穩(wěn)定性更高，有利于其在較高的溫度得以應用。本發(fā)明提供的制備鋯基塊狀金屬玻璃是采用較便宜的普通金屬制備，制備方法工藝簡單，加工成本低廉，易于批量生產(chǎn)薄金屬玻璃雙極板。該鋯基塊狀金屬玻璃具有良好的表面導電性和較高的耐蝕性。采用鋯基塊狀金屬玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨做為雙極板材料有望實現(xiàn)聚合物電解質膜燃料電池的大幅度低成本化以及大批量工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模的市場應用，對于加快聚合物電解質膜燃料電池金屬雙極板的廣泛應用具有重要的實際意義。
具體實施例方式實施例1按照組成公式&6C1_xNbxCU2C1Al1(1Ni1(1(X = 0)所需要的原子摩爾比例配料。各元素 Zr、Nb、Cu、Ni、Al原料的純度均不低于99. 95wt%。母合金錠在氬氣保護下經(jīng)電弧熔煉而成，至少重熔3次以保證其化學均勻性。真空電弧爐電流為150A。然后采用Cu模鑄造制備成厚度為0. 1 3mm的鋯基塊狀金屬玻璃板材。陽極極化曲線和在聚合物電解質膜燃料電池工作條件下的恒電位極化均在0. 05MH2S04+2ppmF_的溶液中進行。為了模擬聚合物電解質膜燃料電池的工作環(huán)境，所有電化學實驗過程中均在溶液中通入吐或空氣。腐蝕速度低于16 μ A/cm2。電導率高于5000S/cm。實施例2按照組成公式&6Q_xNbxCU2(1Al1(1Ni1(1(X = 5)所需要的原子摩爾比例配料。各元素 Zr、Nb、Cu、Ni、Al原料的純度均不低于99. 95wt%。母合金錠在氬氣保護下經(jīng)電弧熔煉而成，至少重熔3次以保證其化學均勻性。真空電弧爐電流為150A。然后采用Cu模鑄造制備成厚度為0. 1 3mm的鋯基塊狀金屬玻璃板材。陽極極化曲線和在聚合物電解質膜燃料電池工作條件下的恒電位極化均在0. 05MH2S04+2ppmF_的溶液中進行。為了模擬聚合物電解質膜燃料電池的工作環(huán)境，所有電化學實驗過程中均在溶液中通入吐或空氣。腐蝕速度低于16 μ A/cm2。電導率高于5000S/cm。實施例3按照組成公式Zi^xNbxCu2ciAliciNiici(χ = 15)所需要的原子摩爾比例配料。各元素 Zr、Nb、Cu、Ni、Al原料的純度均不低于99. 95wt%。母合金錠在氬氣保護下經(jīng)電弧熔煉而成，至少重熔3次以保證其化學均勻性。真空電弧爐電流為200A。然后采用Cu模鑄造制備成厚度為0. 1 3mm的鋯基塊狀金屬玻璃板材。陽極極化曲線和在聚合物電解質膜燃料電池工作條件下的恒電位極化均在lMH2S04+2ppmF-的溶液中進行。為了模擬聚合物電解質膜燃料電池的工作環(huán)境，所有電化學實驗過程中均在溶液中通入H2或空氣。腐蝕速度低于 10 μ A/cm2。電導率高于 5000S/cm。實施例4按照組成公式&6C1_xNbxCU2C1Al1(1Ni1(1(X = 20)所需要的原子摩爾比例配料。各元素Zr、Nb、Cu、Ni、Al原料的純度均不低于99. 95wt%。母合金錠在氬氣保護下經(jīng)電弧熔煉而成，至少重熔3次以保證其化學均勻性。真空電弧爐電流為250A。然后采用Cu模鑄造制備成厚度為0. 1 3mm的鋯基塊狀金屬玻璃板材。陽極極化曲線和在聚合物電解質膜燃料電池工作條件下的恒電位極化均在lMH2S04+2ppmF_+0. OlM CH3OH和通入空氣的IM H2S04+2ppmF>IMCH3OH的溶液中進行。腐蝕速度低于10 μ A/cm2。電導率高于5000S/cm。
權利要求
1.聚合物電解質膜燃料電池塊狀金屬玻璃雙極板。其特征在于厚度為0.1 3. 0mm， 鋯基塊狀金屬玻璃以鋯、鈮、銅、鎳和鋁為組元，其組成公式Zr6(1_xNbxCU2(1Al1(1Ni1(1，其中χ = 0-20 ；各元素Zr、Nb、Cu、Ni、Al原料的純度均不低于99. 95wt%，鋯基塊狀金屬玻璃至少含有95vol %的非晶相；腐蝕速度低于16 μ A/cm2 ；電導率高于5000S/cm。
2.如權利要求1所述聚合物電解質膜燃料電池塊狀金屬玻璃雙極板的制法，其特征在于用如下工藝進行制備按照組成公式^6CHxNbxCu2ciAliciNiici(χ = 0-20)所需要的原子摩爾比例配料。母合金錠在氬氣保護下經(jīng)真空電弧爐熔煉而成，至少重熔3次以保證其化學均勻性；然后采用Cu模鑄造制備成厚度為0. 1 3mm的鋯基塊狀金屬玻璃板材。
3.根據(jù)權利要求2所述聚合物電解質膜燃料電池塊狀金屬玻璃雙極板的制法，其特征在于真空電弧爐電流為150-250A。
全文摘要
聚合物電解質膜燃料電池塊狀金屬玻璃雙極板及其制法。按照組成公式Zr60-xNbxCu20Al10Ni10(x＝0-20)所需要的原子摩爾比例配料。母合金錠在氬氣保護下經(jīng)電弧熔煉而成，至少重熔3次以保證其化學均勻性。真空電弧爐電流為150～250A。然后采用Cu模鑄造制備成厚度為0.1～3mm的鋯基塊狀金屬玻璃板材。各元素Zr、Nb、Cu、Ni、Al原料的純度均不低于99.95wt％，鋯基塊狀金屬玻璃至少含有95vol％的非晶相；腐蝕速度低于16μA/cm2；電導率高于5000S/cm。產(chǎn)品具有較高的電導率和良好的耐蝕性并能大幅度降低成本。主要適用于燃料電池制造領域。
文檔編號H01M4/86GK102364738SQ20111036156
公開日2012年2月29日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權日2011年11月15日
發(fā)明者田如錦 申請人:大連交通大學