專利名稱：一種具有Sb摻雜SnO₂薄膜涂層的304不銹鋼雙極板及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板及其制備方法和在PEMFC (質(zhì)子交換膜燃料電池)中的應(yīng)用，屬不銹鋼表面改性技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池，不經(jīng)過熱機(jī)過程，不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化率高達(dá) 40%飛0%，若熱電合并則效率可達(dá)80%;并具有低溫啟動、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在軍事和便攜式電源等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，也是最有希望取代石化燃料而成為汽車等運(yùn)載工具的動力源。不銹鋼雙極板是PEMFC的關(guān)鍵部件之一，占總質(zhì)量的80%，電池堆成本的45%。理想的雙極板材料必須具有高電導(dǎo)、耐腐蝕、低密度，高機(jī)械強(qiáng)度、高氣密性及易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，因此其性能優(yōu)劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命。不銹鋼材料由于化學(xué)穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是最有應(yīng)用前景的金屬材料。在模擬PEMFC陽極環(huán)境中，304不銹鋼雙極板自腐蝕電流密度為75. 079 μ A/cm2 ； 在模擬PEMFC陰極環(huán)境中，304不銹鋼雙極板自腐蝕電流密度為33. 22 μ A/cm2,長時(shí)間處于工作環(huán)境下其會發(fā)生腐蝕。不銹鋼雙極板在PEMFC工作環(huán)境下，其表面也會發(fā)生鈍化，因此，一種有效的改性方法是十分必要的。目前國內(nèi)外工作者已對不銹鋼雙極板進(jìn)行了大量的研究，但各種方法仍存在著一定的不足，如Yi等人通過一種柔性的成形工藝在304不銹鋼雙極板表面制備了一層碳涂層對其進(jìn)行改性，雖然具有較小的接觸電阻，但穩(wěn)定性仍有待于進(jìn)一步提高。Feng等人通過磁控濺射離子鍍對不銹鋼雙極板進(jìn)行了改性，雖然耐蝕性較好，但由于方法比較復(fù)雜，實(shí)用性存在一定限制，因而不易廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是為了解決上述的技術(shù)問題而提供一種具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板。本發(fā)明的目的之二是提供上述的一種具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板的制備方法。即通過結(jié)合浸潰-提拉法和醇熱法相結(jié)合的方法，在304不銹鋼上制備一層具有微-納米結(jié)構(gòu)的耐蝕性的Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板膜，從而提高不銹鋼雙極板在PEMFC環(huán)境中的耐蝕性。本發(fā)明的技術(shù)方案
一種具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板，所述的涂層厚度為l(T20nm， 所述的Sb摻雜SnO2薄膜涂層中Sb和Sn按摩爾百分比計(jì)算，即Sb: Sn為I. 65 6. 6%: 98. 35 93. 4%,優(yōu)選為 6. 6%: 93. 4% ；
上述的一種具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板的制備方法，即先配制SbCl3的乙醇溶液，稱為A溶液，再配制SnCl2 · 2H20的乙醇溶液，稱為B溶液，最后緩慢向B 溶液中逐滴滴加A溶液，最終得到Sb摻雜SnO2溶膠液；然后通過結(jié)合溶膠浸潰-提拉法和醇熱法在304不銹鋼雙極板的表面制備一層兼具耐蝕性和導(dǎo)電性的Sb摻雜SnO2薄膜涂層， 其具體包括如下制備步驟
(1)、將無水乙醇，SbCl3加入磨口錐形瓶中，用恒溫磁力攪拌器，升溫至50°C，磁力攪拌，控制攪拌速率600r/min，形成溶液A ；
再將無水乙醇，包裹劑聚乙二醇2000，SnCl2 ·2Η20先后加入另一磨口錐形瓶中，用恒溫磁力攪拌器，升溫至50 °C,磁力攪拌，控制攪拌速率600r/min,形成溶液B ；
最后緩慢向B溶液逐滴滴加A溶液，滴加過程控制溫度50°C下，滴加完后進(jìn)行磁力攪拌，攪拌過程控制轉(zhuǎn)速為600r/min，時(shí)間為2h后，再進(jìn)行陳化24h，得到無色透明的Sb摻雜 SnO2溶膠液；
上述所用的SbCl3、SnCl2 · 2H20、聚乙二醇2000和無水乙醇的量按質(zhì)量體積比計(jì)算，即 SbCl3: SnCl2 ·2Η20:聚乙二醇 2000:無水乙醇為 O. 057 O. 228g: 3. 2g: O. 23g:50ml (其中SbCl3: SnCl2 · 2H20換算成摩爾百分比為I. 65 6. 6%: 98. 35 93. 4%)，優(yōu)選為O. 228g: 3. 2g: O. 23g: 50ml。其中包裹劑聚乙二醇2000的加入主要是為了防止Sn2+、Sb3+發(fā)生團(tuán)聚；
(2)、基體材料的預(yù)處理
基體材料為304不銹鋼雙極板，先用金相砂紙W20、WlO及W5逐級打磨，對打磨好的基體304不銹鋼雙極板再用無水乙醇脫脂后用超聲清洗5min，之后再用去離子水清洗，最后用空氣吹干待用；
其中，此過程為現(xiàn)用現(xiàn)做，即304不銹鋼雙極板要涂膜時(shí)再進(jìn)行此步驟；
(3)、將步驟(I)所得的Sb摻雜SnO2溶膠液放入燒杯中，再將步驟(2)預(yù)處理好的304 不銹鋼雙極板材料放入燒杯的Sb摻雜SnO2溶膠液中進(jìn)行浸潰-提拉成膜，在提拉中保持勻速，提拉完成待膜自然干后放入100°C烘箱中烘干30min，在304不銹鋼雙極板表面形成一層均勻的薄膜涂層，如果需要更厚的薄膜，重復(fù)以上步驟；
其中，在浸潰-提拉過程中，304不銹鋼雙極板在溶膠液中浸潰時(shí)間優(yōu)選為20s，提拉速度為2mm/s ；
(4)、將步驟(3)制得的表面具有薄膜涂層的304不銹鋼雙極板放入外殼為不銹鋼，內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓反應(yīng)釜中，并向反應(yīng)釜中加入步驟(I)所得的B溶液至反應(yīng)釜體積的70%，密封后控制180°C反應(yīng)溫度下反應(yīng)3h，反應(yīng)完后自然冷卻，并用去離子水清洗其表面，再用空氣吹干后放入100°C烘箱中30min，即可得到表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的 304不銹鋼雙極板。上述的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜的304不銹鋼雙極板制備過程中，浸潰提拉使 Sb摻雜SnO2溶膠液先在304不銹鋼雙極板的表面形成一層薄膜，以便后面的醇熱反應(yīng)過程中形成的Sb摻雜SnO2薄膜與304不銹鋼雙極板結(jié)合更好。上述所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板，在PEMFC環(huán)境中具有優(yōu)良的耐蝕性，從而避免了不銹鋼腐蝕產(chǎn)生金屬陽離子阻斷質(zhì)子交換膜對氫離子的傳導(dǎo)能力。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的一種表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板，由于表面具有一層Sb摻雜SnO2薄膜涂層，優(yōu)選在模擬PEMFC陽極環(huán)境中，表面具有Sb摻雜SnO2薄膜的304 不銹鋼雙極板自腐蝕電流密度為O. 1656 μ A/cm2 ;優(yōu)選在模擬PEMFC陰極環(huán)境中，表面具有 Sb摻雜SnO2薄膜的304不銹鋼雙極板為O. 1331 μ A/cm2,且經(jīng)2400S的恒電位氧化曲線測試發(fā)現(xiàn)，表面具有Sb摻雜SnO2薄膜的304不銹鋼雙極板在模擬PEMFC陰、陽極環(huán)境中，電流在一定時(shí)間內(nèi)迅速下降，之后保持一個(gè)穩(wěn)定值，且最后穩(wěn)定的電流要比304不銹鋼的小2 個(gè)數(shù)量級，因此，表面具有Sb摻雜SnO2薄膜的304不銹鋼雙極板在PEMFC環(huán)境下具有很好的耐蝕性和穩(wěn)定性。本發(fā)明的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜的304不銹鋼雙極板，由于其表面具有一層致密均勻的Sb摻雜SnO2薄膜，利用了 Sb摻雜餓SnO2優(yōu)異的抗化學(xué)腐蝕性能，降低PEMFC的酸性環(huán)境對不銹鋼的腐蝕和鈍化作用，也因此避免了腐蝕作用釋放出的金屬陽離子阻斷質(zhì)子交換膜對氫離子的傳導(dǎo)能力而導(dǎo)致的電池壽命減損。本發(fā)明的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜的304不銹鋼雙極板，由于具有很好的導(dǎo)電性，在PEMFC中大大降低了與膜電極的接觸電阻，也因此有效降低了電池的內(nèi)壓降，從而提高了電池的輸出功率。本發(fā)明的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜的304不銹鋼雙極板，只是在不銹鋼板表面制備適量的Sb摻雜SnO2薄膜，極板的主體仍是不銹鋼，因而改性后的雙極板仍有很好的機(jī)械強(qiáng)度。另外，本發(fā)明的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜的304不銹鋼雙極板所需的原材料價(jià)廉易得，制備方法簡單，不需要復(fù)雜的工序和儀器設(shè)備，在簡易條件下便可操作。因此其制備方法具有簡單易操作，實(shí)用性廣等優(yōu)點(diǎn)，有利于規(guī)?；a(chǎn)。


圖1-1、實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板在放大5000倍下的表面形貌圖1-2、實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板在放大 5000倍下的表面形貌圖2-1、實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板的表面的原子力顯微鏡圖2-2、實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板的表面的原子力顯微鏡圖3、實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板的XPS譜
圖4-1、實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板及實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板分別在模擬PEMFC陽極工作環(huán)境下的Nyquist譜圖，圖中a為實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板，b為實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的 304不銹鋼雙極板；
圖4-2、實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板及實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板分別在模擬PEMFC陰極工作環(huán)境下的Nyquist譜圖，圖中a為實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板，b為實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的 304不銹鋼雙極板；圖5-1、實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板及實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板分別在模擬PEMFC陽極工作環(huán)境(通空氣)下的Tafel曲線，圖中a為實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板，b為實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板；
圖5-2、實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板及實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板分別在模擬PEMFC陰極工作環(huán)境(通氫氣)下的Tafel曲線，圖中a為實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板，b為實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板；
圖6-1、實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板及實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板分別在模擬PEMFC陽極工作環(huán)境(空氣，0. 6V vs SCE)下的恒電位電流-時(shí)間曲線，圖中a為實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板，b為實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板；
圖6-2、模擬PEMFC陰極工作環(huán)境( -0. IV vs SCE)下的恒電位電流-時(shí)間曲線，圖中a為實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板，b為實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜Sr^薄膜涂層的304不銹鋼雙極板； 圖7、實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板及實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板分別在不同壓力下的接觸電阻，圖中a為實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板，b為研究所得的表面具有SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板，c為實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板；
圖8、本發(fā)明的所用的表面接觸電阻測試儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步闡述，但并不限制本發(fā)明。電化學(xué)測試方法
表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板進(jìn)行電化學(xué)測試，電解質(zhì)溶液為
0.05M H2S04+2ppm HF水溶液(此為模擬PEMFC環(huán)境，測試時(shí)溫度為70°C )，有效測試面積為 Icm20阻抗測試頻率范圍為100K Hz 0. 05Hz，激勵信號峰值為ImV ；
動電位極化曲線掃描范圍為-0. 25疒+1. OV(vs 0CP)，掃描速度為lmV/s ；
恒電位電流-時(shí)間測試分別在模擬PEMFC陰極環(huán)境(通空氣)、陽極環(huán)境(通H2)下進(jìn)行， 初始電位陽極為-0. IV (vs SCE)，陰極為0. 6V (vs SCE)，采樣間隔0. ls，實(shí)驗(yàn)時(shí)間4h。本發(fā)明所用的簡易自制表面接觸電阻測試儀，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，包括一個(gè)待測樣品1，兩張一定面積的碳紙21、22，兩塊導(dǎo)電性良好的銅電極板31、32，一個(gè)微歐表 6，一臺萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，5為其載物臺、4為其升降臺，測試時(shí)壓力通過軟件設(shè)置，由萬能拉伸機(jī)提供。使用時(shí)，待測樣品I的上面和下面各放一張?zhí)技?1和22，并將其平放于載物臺5 上的一塊銅電極板32上。然后將另一塊銅電極板31放于上方的碳紙21的正上方，升降臺 4對銅電極板31提供壓力，兩銅電極板31、32分別與微歐表6相接。實(shí)施例I一種表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板，所述的涂層厚度為l(T20nm， 所述的Sb摻雜SnO2薄膜涂層中Sb和Sn按摩爾比計(jì)算，即Sb: Sn為6. 6%: 93. 4%。上述的一種表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板的制備方法，包括如下步驟
(1)、將50ml無水乙醇，O.23g包裹劑聚乙二醇2000,3. 2g SnCl2 · 2H20先后加入磨口錐形瓶中，用恒溫磁力攪拌器攪拌，升溫至50°C，待形成均勻溶液后，取事先配好的SbCl3的乙醇溶液(O. 25M) lmmol，緩慢逐滴加入上述溶液，滴加過程控制溫度50°C下，滴加完后進(jìn)行磁力攪拌，攪拌過程控制轉(zhuǎn)速為600r/min，時(shí)間為2h后，再陳化24h，得到無色透明的Sb 摻雜SnO2溶膠液；
(2)、對基體材料IOmmX35mmX2mm的304不銹鋼雙極板進(jìn)行預(yù)處理，即使用金相砂紙 W20、WlO及W5對其逐級打磨，對打磨好的基體304不銹鋼雙極板用無水乙醇脫脂，并用超聲清洗5min，之后再用去離子水清洗，最后用空氣吹干待用；
(3)、取IOml步驟(I)所得的Sb摻雜SnO2溶膠液放入IOml的小燒杯，將步驟(2)預(yù)處理好的304不銹鋼雙極板放入到小燒杯的溶膠液中進(jìn)行浸潰-提拉成膜，浸潰時(shí)間為20s， 提拉速度為2mm/s，提拉次數(shù)為2次，提拉完成待膜自然干后放入100°C烘箱中烘干30min， 在304不銹鋼雙極板表面形成一層薄膜涂層；
(4)、將步驟(3)所得的表面具有一層薄膜涂層的304不銹鋼雙極板放入高壓反應(yīng)釜內(nèi)襯中，并向內(nèi)襯中加入步驟(I)所得的B溶液(SnO2溶膠)，加入的溶膠液的量為反應(yīng)釜體積的70%，密閉后控制溫度為180°C，時(shí)間為3h進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)完后自然冷卻，并用去離子水清洗304不銹鋼的表面，再空氣吹干后放入100°C烘箱中30min，即可得到表面具有Sb摻雜 SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板。實(shí)施例2
Sb摻雜SnO2薄膜涂層中Sb和Sn按摩爾比計(jì)算，即Sb: Sn為I. 65%: 98.35%。其中， SbCl3乙醇溶液(O. 25M)用量為O. 25mmol，其它同實(shí)施例I操作。實(shí)施例3
Sb摻雜SnO2薄膜涂層中Sb和Sn按摩爾比計(jì)算，即Sb: Sn為3. 3%: 96. 7%。其中， SbCl3乙醇溶液(O. 25M)用量為O. 5mmol，其它同實(shí)施例I操作。將上述實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板和最終所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板用HITACHI公司的SU-1500掃描電子顯微鏡放大5000倍進(jìn)行觀察，所得的表面形貌圖如圖1-1及圖1-2所述。從圖1-1及圖1-2的對比中可以看出經(jīng)表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板的表面具有一層致密的微-納米結(jié)構(gòu)膜。將上述的實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板和最終所得的表面具有Sb摻雜SnO2 薄膜涂層的304不銹鋼雙極板表面的原子力顯微鏡圖(AFM, Molecular Imaging PicoScan 2100，采用輕敲模式測試)如圖2-1，2-2所示，對比圖2-1，2-2中可以看出表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板表面具有一層致密均勻的薄膜。圖3為實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板表面的XPS譜圖(PHI 5000C ESCA System,先采集樣品的(Tl200eV的全掃描譜，再采集各元素相關(guān)軌道的窄掃描譜)，圖3中Sn的Sn3d (Sn的3d軌道)結(jié)合能為486. 6eV和495. IeV,與Sn4+相對應(yīng)。結(jié)合以上薄膜結(jié)構(gòu)分析，可以確定薄膜的基本組成為SnO2，摻雜后的薄膜組成可表示成Sni_xSbx02。但是因?yàn)镾b的Sb3d (Sb的3d軌道)結(jié)合能和0的Ols (0的Is 軌道)的位置非常接近，而Ols更強(qiáng)，所以譜中Sb的Sb3d峰被0的Ols的峰掩蓋了。對上述實(shí)施例I所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板在模擬PEMFC工作環(huán)境(70°C，0. 05M H2S04+2ppm HF)進(jìn)行電化學(xué)測試，
圖4-1、圖4-2為實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板和最終所得的表面具有Sb摻雜 SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板分別在模擬PEMFC陽極工作環(huán)境(70°C，通H2,0. 05M H2S04+2ppm HF)、陰極工作環(huán)境(70°C，通空氣，0. 05M H2S04+2ppm HF)下的 Nyquist 圖(美國 EG&G公司的PARC273A恒電位/恒電流儀，采用三電極體系測試)。從圖4-1及圖4-2中可以看出，在陽極、陰極工作環(huán)境，表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板比空白的304不銹鋼雙極板都具有更大的阻抗值，說明本發(fā)明所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板具有更好的耐蝕性。圖5-1、圖5-2為實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板和最終所得的表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板分別在模擬PEMFC陽極工作環(huán)境(70°C，通氫氣，0. 05M H2S04+2ppm HF)、陰極工作環(huán)境(70°C，通空氣，0. 05M H2S04+2ppm HF)下的Tafel曲線(美國 EG&G公司的PARC273A恒電位/恒電流儀，采用三電極體系測試)。從圖5-1及圖5-2可以看出，在陽極、陰極工作環(huán)境，表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板的自腐蝕電位較304不銹鋼雙極板有明顯的正移，正移達(dá)分別達(dá) 446. 4mV、476. 6mV,同時(shí)，形成涂層前后的304不銹鋼雙極板的自腐蝕電流密度在陽、陰級分別由 75. 079 u A/cm2 下降至 0. 1656 u A/cm2, 33. 22 u A/cm2 下降至 0. 1331 y A/cm2,下降 2 3個(gè)數(shù)量級，也說明表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板具有更好的耐蝕性。圖6-1、圖6-2為實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板板和最終所得的表面具有Sb 摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板分別在模擬PEMFC陽極工作環(huán)境(70°C，-0. IV，通 H2,0. 05M H2S04+2ppm HF)、陰極工作環(huán)境(70°C，+0. 6V,通空氣，0. 05M H2S04+2ppm HF)下的恒電位電流-時(shí)間曲線(美國EG&G公司的PARC273A恒電位/恒電流儀，采用三電極體系測試)。從圖6-1及圖6-2中可以看出，在PEMFC陽、陰極工作環(huán)境，表面具有Sb摻雜SnO2 薄膜涂層的304不銹鋼雙極板比304不銹鋼雙極板在最終穩(wěn)定時(shí)，都具有更小的電流，與 304不銹鋼雙極板相比，恒定電流值下降2 3個(gè)數(shù)量級，也說明表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板具有更好的耐蝕性。這與阻抗測試、Tafel極化測試結(jié)果都一致。圖7顯示了實(shí)施例I所用的304不銹鋼雙極板和最終所得的表面具有Sb摻雜SnO2 薄膜涂層的304不銹鋼雙極板的接觸電阻與壓強(qiáng)變化關(guān)系。測試系統(tǒng)原理圖如圖8所示， 測試時(shí)，樣品兩側(cè)與碳紙接觸以模擬極板與擴(kuò)散層接觸的狀態(tài)，緊壓碳紙的是經(jīng)過鍍金的銅塊，以便于壓緊不銹鋼，使碳紙與不銹鋼緊密接觸，模擬燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在兩端鍍金銅塊間外接一個(gè)微歐表，以顯示測量值。通過微歐表直接讀取測試區(qū)域電阻(R)(銅板、碳紙、試樣體電阻以及它們之間的接觸電阻)的變化。從圖7中可以看出，接觸電阻值隨壓強(qiáng)增加而減小，但是當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，接觸電阻的減幅變緩，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到I. 5MPa時(shí)，接觸電阻值幾乎保持恒定。目前，PEMFC電堆的組裝力通常在I. 5 MPa左右，從圖中曲線I. 5MPa時(shí)的接觸電阻值可以看出304不銹鋼雙極板由于其表面存在厚的鈍化膜，接觸電阻約為733πιΩ · cm2 ;表面具有SnO2涂層后的304 不銹鋼雙極板，其接觸電阻為217πιΩ · cm2 ;表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層后的304不銹鋼雙極板，其接觸電阻為34. 5ι Ω · cm2,在3. OMPa壓力下,最小可達(dá)14. 9mΩ ·αιι2。這表明在SnO2中摻雜Sb可進(jìn)一步降低其與擴(kuò)散層間的接觸電阻，基本達(dá)到商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。以上所述內(nèi)容僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所做的任何等效變換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板，所述的Sb摻雜SnO2薄膜涂層厚度為l(T20nm，所述的Sb摻雜SnO2薄膜涂層中Sb和Sn按摩爾百分比計(jì)算，即Sb: Sn 為 I. 65 6. 6%: 98. 35 93. 4%。
2.如權(quán)利要求I所述的一種具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板的制備方法，其特征首先配制SbCl3的乙醇溶液，稱為A溶液，再配制SnCl2 ·2Η20的乙醇溶液，稱為B 溶液，最后緩慢向B溶液中逐滴滴加A溶液，得到Sb摻雜SnO2溶膠液；然后通過結(jié)合溶膠浸潰-提拉法和醇熱法在304不銹鋼雙極板的表面制備一層兼具耐蝕性和導(dǎo)電性的Sb摻雜SnO2薄膜涂層，最終得到一種具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板。
3.如權(quán)利要求2所述的一種具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板的制備方法，其特征在于具體包括如下制備步驟(1)、將無水乙醇，SbCl3加入磨口錐形瓶中，用恒溫磁力攪拌器，升溫至50°C，磁力攪拌，控制攪拌速率600r/min，形成A溶液；再將無水乙醇，包裹劑聚乙二醇2000，SnCl2 ·2Η20先后加入另一磨口錐形瓶中，用恒溫磁力攪拌器，升溫至50 °C,磁力攪拌，控制攪拌速率600r/min,形成B溶液；最后緩慢向B溶液逐滴滴加A溶液，滴加過程控制溫度50°C下，滴加完后進(jìn)行磁力攪拌，攪拌過程控制轉(zhuǎn)速為600r/min，時(shí)間為2h后，再進(jìn)行陳化24h，得到無色透明的Sb摻雜 SnO2溶膠液；上述所用的SbCl3、SnCl2 · 2H20、聚乙二醇2000和無水乙醇的量按質(zhì)量體積比計(jì)算，即 SbCl3: SnCl2 · 2H20:聚乙二醇 2000:無水乙醇為 O. 057 O. 228g: 3. 2g: O. 23g: 50ml ；(2)、基體材料的預(yù)處理基體材料為304不銹鋼雙極板，先用金相砂紙W20、WlO及W5逐級打磨，對打磨好的基體304不銹鋼雙極板再用無水乙醇脫脂后用超聲清洗5min，之后再用去離子水清洗，最后用空氣吹干待用；(3)、將步驟(I)所得的Sb摻雜SnO2溶膠液放入燒杯中，再將步驟(2)預(yù)處理后的304 不銹鋼雙極板材料浸入燒杯的Sb摻雜SnO2溶膠液中進(jìn)行浸潰-提拉成膜，在提拉中保持勻速，提拉完成待膜自然干后放入100°C烘箱中烘干30min，在304不銹鋼雙極板表面形成一層均勻的薄膜涂層，如果需要更厚的薄膜，重復(fù)以上步驟至所需的厚度；(4)、將步驟(3)制得的表面具有薄膜涂層的304不銹鋼雙極板放入外殼為不銹鋼，內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓反應(yīng)釜中，并向反應(yīng)釜中加入步驟(I)所得的B溶液至反應(yīng)釜體積的70%，密封后控制180°C反應(yīng)溫度下反應(yīng)3h，反應(yīng)完后自然冷卻，并用去離子水清洗其表面，再用空氣吹干后放入100°C烘箱中30min，即可得到表面具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的 304不銹鋼雙極板。
4.如權(quán)利要求3所述的一種Sb摻雜SnO2膜改性PEMFC用304不銹鋼雙極板的制備方法，其特征在于步驟(I)中其中SbCl3: SnCl2 · 2H20:聚乙二醇2000:無水乙醇的質(zhì)量體積比，即SbCl3: SnCl2 · 2H20:聚乙二醇2000:無水乙醇優(yōu)選為O. 228g: 3. 2g: O. 23g: 50ml ο
5.如權(quán)利要求4所述的一種Sb摻雜SnO2膜改性PEMFC用304不銹鋼雙極板的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述的基體材料304不銹鋼雙極板的大小為IOmmX35mmX 2mm。
6.如權(quán)利要求5所述的一種Sb摻雜SnO2膜改性PEMFC用304不銹鋼雙極板的制備方法，其特征在于步驟(3)中所述的浸潰-提拉過程中，304不銹鋼雙極板在溶膠液中浸潰時(shí)間為20s，提拉速度為2mm/s，提拉次數(shù)為2次。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板。即先配制SbCl3的乙醇溶液即A溶液，再配制SnCl2·2H2O的乙醇溶液即B溶液,緩慢向B溶液中逐滴滴加A溶液，得到Sb摻雜SnO2溶膠液，再通過結(jié)合溶膠浸漬-提拉法和醇熱法在304不銹鋼雙極板表面制備一層Sb摻雜SnO2薄膜涂層，從而得一種具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板，不僅可有效地提高其在PEMFC環(huán)境(0.05MH2SO4+2ppmHF)下的性能，且仍有很好的機(jī)械強(qiáng)度。另外，本發(fā)明的具有Sb摻雜SnO2薄膜涂層的304不銹鋼雙極板的制備方法具有操作簡單，利于規(guī)模化生產(chǎn)等特點(diǎn)。
文檔編號C23C26/00GK102593479SQ201210037350
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月20日
發(fā)明者云虹, 劉明爽, 周羅增, 徐群杰, 李巧霞, 潘紅濤, 鄧先欽 申請人:上海電力學(xué)院