一種金屬雙極板及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，特別是指一種金屬雙極板及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氫燃料電池(PEFC)用金屬雙極板具有薄、輕、阻氣性良好和易加工成型等優(yōu)點，不銹鋼具有良好的防腐蝕性能，是用于燃料電池雙極板的較好材料，但因其表面有氧化鈍化層，與膜電極的接觸電阻很大，阻礙了電能的輸出，因此不銹鋼表面需要進行處理，一般是在基板表面沉積保護薄膜，保證較小的接觸電阻和較好的抗腐蝕能力。
[0003]用于不銹鋼表面涂覆的材料可分為貴金屬、金屬導電陶瓷化合物、碳類膜等。然而，金屬導電陶瓷化合物(如氮化鉻、硼化鈦和氧化銦)和碳類膜因其自身材料的導電性、耐腐蝕性低于貴金屬，以及材料制備工藝的復(fù)雜程度，在實際應(yīng)用上有較大的困難。目前，不銹鋼極板上沉積貴金屬，如金，是較成熟且被試驗驗證使雙極板具有足夠使用壽命的方法，然而，整個雙極板表面都涂覆有貴金屬，存在著成本高的問題。為了解決這一問題，現(xiàn)有技術(shù)中也有先將不銹鋼板用化學或物理沉積的方法按一定圖形沉積一層金，然后再進行沖壓成型、焊接等工藝，這種方法雖然可以降低材料成本，但存在著沖壓成型以及焊接過程中鍍金層會遭到破壞的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種金屬雙極板及其制備方法，極大地節(jié)省了貴金屬的用量，降低成本，適合大規(guī)模應(yīng)用。
[0005]基于上述目的本發(fā)明提供的金屬雙極板，包括不銹鋼基片和和貴金屬層，所述不銹鋼基片的表面包括多個平行的溝槽和凸部，所述不銹鋼基片的同一表面相鄰兩個溝槽的連接部分為凸部，所述貴金屬層鍍在金屬雙極板表面的凸部。
[0006]在本發(fā)明的一些實施例中，所述貴金屬層的厚度為1nm?200nm，所述貴金屬層的覆蓋面積為不銹鋼基片總面積的5%?50%。
[0007]在本發(fā)明的一個實施例中，所述不銹鋼基片的同一凸部上的貴金屬層的形狀為一個長條形，在本發(fā)明的另一個實施例中，所述不銹鋼基片的同一凸部上的貴金屬層的形狀為多個分散的矩形。
[0008]所述金屬雙極板的厚度為0.05mm?0.3mm,所述溝槽的深度為0.4?1.2mm,所述溝槽的頂部開口寬度為1.5?1.7mm，所述溝槽的槽底寬度為1.1?1.3mm。
[0009]本發(fā)明還提供了一種金屬雙極板的制備方法，包括以下步驟:
[0010](I)將耐酸感光油墨噴涂到?jīng)_壓成型的不銹鋼基片的表面，待所述耐酸感光油墨靜置流平后烘干；
[0011](2)將光刻掩膜版覆蓋在噴涂耐酸感光油墨的不銹鋼基片表面，所述光刻掩膜版的透光區(qū)域位于不銹鋼基片的凸部，所述光刻掩膜版除透光區(qū)域以外的部分為不透光區(qū)域，校準后進行曝光，曝光結(jié)束后，用堿性溶液作為顯影液除去金屬雙極板上曝光部分的耐酸感光油墨；
[0012](3)將顯影后的不銹鋼基片放入到貴金屬化合物的溶液中進行貴金屬薄膜的電化學沉積，得到鍍有貴金屬層的不銹鋼基片；
[0013](4)將鍍有貴金屬層的不銹鋼基片再次曝光，曝光結(jié)束后，用堿性溶液清洗以除去耐酸感光油墨，接著用去離子水清洗若干遍，干燥；
[0014](5)將干燥后的不銹鋼基片放入到15%的硝酸溶液中鈍化，在40?50°C下鈍化10?20min，取出不銹鋼基片，用去離子水清洗，干燥。
[0015]在本發(fā)明的一個實施例中，所述步驟(I)中，耐酸感光油墨的噴涂厚度為5-10 μ m，烘干溫度為70?80°C。
[0016]在本發(fā)明的一些實施例中，所述步驟(2)和⑷中，不銹鋼基片在紫外燈下照射，曝光時間與噴涂的耐酸感光油墨的厚度以及光強成正比例關(guān)系，所述堿性溶液為碳酸鈉溶液。
[0017]在本發(fā)明的一些實施例中，所述步驟(3)中，將不銹鋼基片放入到濃度為2g/L的氰化金溶液中進行金薄膜的電化學沉積，溫度30?35°C，電流保持在0.0lA/cm2，持續(xù)時間Imin?20min，得到1nm?200nm厚度的鍍金層。
[0018]在本發(fā)明的一些實施例中，所述沖壓成型的不銹鋼基片為將不銹鋼基片沖壓成多個平行溝槽，形成流場結(jié)構(gòu)，所述不銹鋼基片的邊長為IlcmX 11cm，厚度為0.05mm?
0.3mmο
[0019]在本發(fā)明的一些實施例中，所述步驟(I)之前還包括預(yù)處理步驟，將不銹鋼基片先在乙醇或丙酮超聲清洗，接著在酸性溶液中進行化學拋光。
[0020]從上面所述可以看出，本發(fā)明提供的金屬雙極板及其制備方法具有以下積極效果:
[0021]首先，本發(fā)明提供的金屬雙極板在其凸部鍍有貴金屬層，即在金屬雙極板與電極接觸的部位具有貴金屬層，在金屬雙極板不與電極接觸的部位，采用化學鈍化的方式形成化學鈍化層，以保護金屬雙極板，達到較好的防腐蝕效果，如作為氣體通道的溝槽，這樣不僅保證了金屬雙極板具有較小接觸電阻和較好的抗腐蝕能力，而且局部鍍貴金屬層極大地節(jié)省了貴金屬的用量，降低金屬雙極板的制備成本。
[0022]其次，本發(fā)明提供的金屬雙極板的制備方法采用顯影技術(shù)來實現(xiàn)在金屬雙極板的表面局部鍍貴金屬層，操作簡單易行，適合大規(guī)?；瘧?yīng)用。
[0023]最后，本發(fā)明提供的金屬雙極板的制備方法是將不銹鋼基片先進行沖壓及焊接工藝形成流場結(jié)構(gòu)，再在金屬雙極板的表面鍍貴金屬層，避面沖壓及焊接工藝對貴金屬鍍層的破壞，保護貴金屬鍍層的完整性，避免金屬雙極板的貴金屬鍍層局部破損而引起的腐蝕。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明實施例金屬雙極板的平面示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實施例金屬雙極板的溝槽截面圖；
[0026]圖3為本發(fā)明實施例金屬雙極板同一凸部的鍍金層為一個長條形的示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明實施例金屬雙極板同一凸部的鍍金層為多個分散的矩形的示意圖；
[0028]圖5為本發(fā)明實施例金屬雙極板與石墨雙極板組裝的單膜電池的極化曲線對比圖。
【具體實施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0030]實施例1
[0031]步驟1，如圖1所示，其為本發(fā)明實施例金屬雙極板的平面示意圖，選取邊長為IlcmX Ilcm、厚度為0.1mm的316L不銹鋼箔片I，將所述不銹鋼箔片I沖壓成多個平行溝槽2，形成流場結(jié)構(gòu)。
[0032]如圖2所示，其為本發(fā)明實施例金屬雙極板的溝槽截面圖，在不銹鋼箔片I的同一表面的相鄰兩個溝槽2的連接部分為凸部3，所述溝槽2的截面為梯形，不銹鋼箔片I的一個表面的凸部3的頂部為另一個表面的溝槽2的底部。需要說明的是，不銹鋼箔片I的溝槽為氣體通道，凸部與電極接觸。其中，溝槽2的深度為0.4mm，溝槽2的頂部開口寬度為
1.5mm，溝槽2的底部寬度為1.1mm。
[0033]步驟2，將所述不銹鋼箔片用乙醇或丙酮超聲清洗，接著在酸性溶液中進行化學拋光，除去不銹鋼箔片表面的鈍化層。
[0034]步驟3，將耐酸感光油墨噴涂到不銹鋼箔片的表面，噴涂厚度為5 μ m，待所述感光油墨靜置流平后，放入到溫度為80°C的烘箱中烘干。
[0035]步驟4，將光刻掩膜版覆蓋在噴涂耐酸感光油墨的不銹鋼箔片的表面，在本實施例中，光刻掩膜版的透光區(qū)域的形狀為多個平行的長條形，長條形的圖案尺寸為90mmX0.8_，所述光刻掩膜版的透光區(qū)域均覆蓋在不銹鋼箔片的凸部，所述光刻掩膜版除透光區(qū)域以外的部分為不透光區(qū)域。將不銹鋼箔片的光刻掩膜版校準后放在紫外燈下曝光，曝光時間與光強及噴涂的耐酸感光油墨的厚度成正比例關(guān)系，曝光結(jié)束后，位于光刻掩膜版透光區(qū)域下的耐酸感光油墨發(fā)生光固化，用碳酸鈉溶液作為顯影液，溶解掉金屬雙極板上曝光部分的耐酸感光油墨。
[0036]步驟5，將顯影后的不銹鋼箔片放入到濃度為2g/L的氰化金溶液中進行金薄膜的電化學沉積，溫度為30°C，電流保持在0.0lA/cm2，持續(xù)時間20min，得到200nm厚度的鍍金層。如圖3所示，其為本發(fā)明實施例金屬雙極板凸部長條形鍍金層的示意圖，鍍金層4位于不銹鋼箔片I的凸部3，所述鍍金層4的形狀為長條形，尺寸為90_X0.8_，與光刻掩膜版的透光區(qū)域形狀相同，即鍍金層的形狀由光刻掩膜版的透光區(qū)域的形狀決定。
[0037]步驟6，將含有鍍金層的不銹鋼箔片在紫外燈下再次曝光，曝光結(jié)束后，用碳酸鈉溶液清洗以除去耐酸感光油墨，接著用去離子水清洗若干遍并干燥；
[0038]步驟7，將干燥后的不銹鋼箔片放入到濃度為15%的硝酸溶液中，在50°C下鈍化lOmin，取出不銹鋼箔片，用去離子水清洗并干燥。
[0039]本實施制備得到的不銹鋼箔片的鍍金層的覆蓋面積為總面積的35%，在不銹鋼箔片的同一凸部上的鍍金層的形狀為一個長條形，即在金屬雙極板與電極接觸的部位具有鍍金層，保證較小的接觸電阻和較好的抗腐蝕能力，在金屬雙極板不與電極接觸的部位，采用鈍化的方式達到較好的防腐蝕的效果，如作為氣體通道的溝槽，這樣能減少貴金屬的用量。
[0040]實施例2
[0041]步驟1，如圖1所示，其為本發(fā)明實施例金屬雙極板的平面示意圖，選取邊長為IlcmX IIcm、厚度為0.2mm的316L不銹鋼箔片I為基板，將所述不銹鋼箔片I沖壓成多個平行溝槽2，形成流場結(jié)構(gòu)。
[0042]如圖2所示，其為本發(fā)明實施例金屬雙極板的溝槽截面圖，在不銹鋼箔片I的同一表面的相鄰兩個溝槽2的連接部分為凸部3。不銹鋼箔片I的一個表面的凸部3的頂部為另一個表面的溝槽2的底部，所述溝槽2的截面為梯形。需要說明的是，不銹鋼箔片I的溝槽2為氣體通道，凸部3與電極接觸。其中，溝槽2的深度為0.8mm，溝槽2的頂部開口寬度為1.6mm，溝槽2的底部寬度為1.2mm。
[0043]步驟2，將所述不銹鋼箔片用乙醇或丙酮超聲清洗，接著在酸性溶液中進行化學拋光，除去不銹鋼箔片表面的鈍化層。
[0044]步驟3，將耐酸感光油墨噴涂到不銹鋼箔片的表面，噴涂厚度為10 μ m，待所述感光油墨靜置流平后，放入到溫度為80°C的烘箱中烘干。
[0045]步驟4，將光刻掩膜版覆蓋在噴涂耐酸感光油墨的不銹鋼箔片的表面，在本實施例中，光