本發(fā)明涉及粉末冶金，具體涉及在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法。

背景技術(shù)：

1、汽車行業(yè)消耗大量化石燃料，從而加劇了全球環(huán)境和能源危機(jī)，氫燃料電池作為新一代能源技術(shù)，因其清潔無(wú)污染可再生等特點(diǎn)，作為汽車動(dòng)力來(lái)源具有廣泛的應(yīng)用前景。

2、氫燃料電池通常由雙極板(bipolar?plate,bpp)、膜電極(membrane?electrodeassembly,mea)、密封墊圈和端板組成。雙極板是氫燃料電池重要部件之一，占據(jù)了電池中很大一部分的質(zhì)量和成本，且承擔(dān)著反應(yīng)氣體的分配、電流傳導(dǎo)、和排水及散熱的功能。傳統(tǒng)的石墨雙極板因石墨抗彎強(qiáng)度低，材料脆性大，導(dǎo)致石墨雙極板具有厚度大、電池體積比功率低、加工成本高等缺點(diǎn)。在氫燃料電池較高工作溫度下，石墨復(fù)合雙極板高分子材料可能發(fā)生降解、離子滲出等問(wèn)題，從而影響氫燃料電池的性能。與石墨雙極板相比，金屬雙極板具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、阻氣性和機(jī)械性能，同等功率下金屬雙極板氫燃料電池的體積會(huì)比石墨雙極板氫燃料電池更小，功率密度更高。因此金屬雙極板被認(rèn)為是新一代氫燃料電池雙極板的候選者。

3、氫燃料電池的工作狀況復(fù)雜，其工作環(huán)境惡劣，處于高濕度、高電勢(shì)、高酸性(ph2-3)、相對(duì)高溫(60-80℃)的環(huán)境下。在氫燃料電池的工作環(huán)境中，金屬雙極板容易受到腐蝕，在其表面形成鈍化膜，從而顯著增加金屬雙極板與氣體擴(kuò)散層之間的界面接觸電阻。而且，金屬雙極板受到腐蝕后釋放出的fe、cr和ni離子會(huì)污染催化劑并使膜電極中毒，最終導(dǎo)致氫燃料電池轉(zhuǎn)化效率下降。從而降低氫燃料電池的輸出性能并縮短其使用壽命。因此，亟需提供一種抗腐蝕材料的制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為開(kāi)發(fā)一種抗腐蝕材料的制備方法，本發(fā)明提供了在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法。本發(fā)明提供的不銹鋼材料具有超疏水表面，導(dǎo)電性好，抗腐蝕性能優(yōu)，防霜凍性能佳，是制備氫燃料單體電池電極的優(yōu)質(zhì)材料。

2、本發(fā)明提供了在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法，包括如下步驟：

3、不銹鋼板的預(yù)處理：以不銹鋼板為基材，用砂紙打磨表面，然后，然后置于去離子水中超聲清洗10min～15min，再置于乙醇中超聲清洗10min～15min，干燥后獲得表面光滑的不銹鋼板，備用；

4、納秒激光刻蝕多級(jí)粗糙表面：利用納秒紅外激光在表面光滑的不銹鋼板上橫縱方向上等距加工刻蝕圖案，超聲清洗，然后置于硬脂酸乙醇溶液中浸泡4h～5h，干燥后獲得超疏水表面的不銹鋼材料；

5、激光參數(shù)設(shè)置為：激光掃描速度為180mm·s-1～200mm·s-1，激光重復(fù)頻率為15khz～20khz，平均輸出功率為30w～35w。

6、進(jìn)一步地，所述砂紙打磨表面過(guò)程為：依次用400#、600#、800#、1000#砂紙打磨不銹鋼板表面。

7、進(jìn)一步地，不銹鋼板的預(yù)處理過(guò)程的干燥參數(shù)為：于80℃～85℃下干燥9min～10min。

8、進(jìn)一步地，所述激光掃描速度、激光重復(fù)頻率和平均輸出功率分別設(shè)置為200mm·s-1、20khz和30w。

9、進(jìn)一步地，納秒激光刻蝕多級(jí)粗糙表面之后超聲清洗過(guò)程為：置于去離子水中超聲清洗10min～15min，再置于乙醇中超聲清洗10min～15min。

10、進(jìn)一步地，所述硬脂酸乙醇溶液的1.0wt％～2.0wt％。

11、進(jìn)一步地，納秒激光刻蝕多級(jí)粗糙表面之后的干燥過(guò)程為：80℃～85℃下烘干30min～40min。

12、進(jìn)一步地，在表面光滑的不銹鋼板上橫縱方向上等距加工刻蝕圖案的參數(shù)為：標(biāo)刻間距為0.03mm～0.09mm，圖案中心點(diǎn)間距為0.03mm～0.09mm，重復(fù)加工次數(shù)為1次～7次。

13、進(jìn)一步地，所述超疏水表面呈現(xiàn)多峰粗糙結(jié)構(gòu)，在微米或納米尺度上具有孔隙和乳頭狀島狀結(jié)構(gòu)。

14、進(jìn)一步地，所述超疏水表面用于制備氫燃料單體電池中的金屬雙極板，提高了電極的導(dǎo)電性、抗腐蝕性能和防霜凍性能。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

16、本發(fā)明基于納秒激光刻蝕，提出一種簡(jiǎn)單易行、低成本、可回收制備的表面超疏水且耐腐蝕的不銹鋼材料的制備方法。巧妙利用納秒激光的熱效應(yīng)的劣勢(shì)，采用不用的激光刻蝕圖案參數(shù)和重復(fù)加工次數(shù)，在不銹鋼表面形成具有數(shù)百納米至數(shù)十微米的多級(jí)陣列結(jié)構(gòu)，所制備的sh-ssp在較寬溫度范圍(-15至85℃)具有良好的疏水性(接觸角大于120°)，并且具有良好的抗結(jié)冰和抗結(jié)霜性能。所制備的sh-ssp同時(shí)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和抗腐蝕性能，滿足現(xiàn)行最嚴(yán)格的氫燃料電池雙極板各項(xiàng)性能指標(biāo)，能夠緩解氫燃料電池雙極板流道內(nèi)部水蒸汽冷凝以及結(jié)霜問(wèn)題，降低氫燃料電池在極端環(huán)境下的冷啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間。

技術(shù)特征：

1.在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法，其特征在于，所述砂紙打磨表面過(guò)程為：依次用400#、600#、800#、1000#砂紙打磨不銹鋼板表面。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法，其特征在于，不銹鋼板的預(yù)處理過(guò)程的干燥參數(shù)為：于80℃～85℃下干燥9min～10min。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法，其特征在于，所述激光掃描速度、激光重復(fù)頻率和平均輸出功率分別設(shè)置為200mm·s-1、20khz和30w。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法，其特征在于，納秒激光刻蝕多級(jí)粗糙表面之后超聲清洗過(guò)程為：置于去離子水中超聲清洗10min～15min，再置于乙醇中超聲清洗10min～15min。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法，其特征在于，所述硬脂酸乙醇溶液的1.0wt％～2.0wt％。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法，其特征在于，納秒激光刻蝕多級(jí)粗糙表面之后的干燥過(guò)程為：80℃～85℃下烘干30min～40min。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法，其特征在于，在表面光滑的不銹鋼板上橫縱方向上等距加工刻蝕圖案的參數(shù)為：標(biāo)刻間距為0.03mm～0.09mm，圖案中心點(diǎn)間距為0.03mm～0.09mm，重復(fù)加工次數(shù)為1次～7次。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法，其特征在于，所述超疏水表面呈現(xiàn)多峰粗糙結(jié)構(gòu)，在微米或納米尺度上具有孔隙和乳頭狀島狀結(jié)構(gòu)。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法，其特征在于，所述超疏水表面用于制備氫燃料單體電池中的金屬雙極板，提高了電極的導(dǎo)電性、抗腐蝕性能和防霜凍性能。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體公開(kāi)了在氫燃料電池雙極板制備超疏水表面的方法，包括如下步驟：不銹鋼板的預(yù)處理：以不銹鋼板為基材，用砂紙打磨表面，超聲清洗后干燥后獲得表面光滑的不銹鋼板；然后利用納秒紅外激光在表面光滑的不銹鋼板上橫縱方向上等距加工刻蝕圖案，超聲清洗，然后置于硬脂酸乙醇溶液中浸泡4h～5h，干燥后獲得超疏水表面的不銹鋼材料。本發(fā)明提供的不銹鋼材料具有超疏水表面，導(dǎo)電性好，抗腐蝕性能優(yōu)，防霜凍性能佳，是制備氫燃料單體電池電極的優(yōu)質(zhì)材料。

技術(shù)研發(fā)人員：邢瑞哲,張東光,楊嘉怡,徐國(guó)璇,劉燁錕
受保護(hù)的技術(shù)使用者：海安太原理工大學(xué)先進(jìn)制造與智能裝備產(chǎn)業(yè)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19