一種應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件及其製備方法
2023-12-01 04:30:41 1
專利名稱：一種應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件及其製備方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件及其製備方法。
背景技術：
燃料電池是將燃料中的化學能直接轉化為電能的一種化學反應裝置。由於燃料電池沒有熱機的卡洛循環過程，其能量轉化效率非常高，可以採用氫、醇類、固體金屬等作為燃料，燃料來源廣泛，應用方便。和熱發電或燃油發電機相比，具有較高的環保性、靜音性，而且燃料電池系統可以像發電機一樣高度集成，應用於移動電源領域，具有廣闊的應用前景。
和普通電池一樣，燃料電池系統運行過程中，需要將每個單電池負極燃料氧化反應產生的電子通過導電體匯集引出，再通過外電路連接電池正極導電體導入正極氧化劑反應區域，使得電子和氧化劑及從電池負極遷移過來的離子複合還原。多節單電池組成的燃料電池系統，需要將每節電池的正負極導電體相連，以獲得較高的電池電壓。從導電體工作環境上看，正負極導電體直接沉浸在燃料或氧化劑氛圍內，如果採用液體電解質，導電體更是被具有腐蝕性的電解質沉浸，同時電池產生的電場使得導電體處於一種極易構成電化學反應的體系下，所以導電體要求有很高的抗化學腐蝕和電化學腐蝕的特性；從導電體功能上看，導電體匯集負極區域電子，同時向正極區域注入電子，其與正負極反應區域的連接電阻的大小對電池性能至關重要，所以導電體材料要求有高的電導率和低的表面接觸電阻；從導電體結構上看，在採用氣體或液體作為燃料的電池中導電體既起到導電的作用，又要作為燃料和氧化劑分配場所和隔離器，一般都是在導電體上，製造出可以流動燃料和氧化齊U的微型曲折流道實現，所以導電體要有很好的加工成型特性。在燃料電池系統中，單電池往往達到幾十節甚至上百節，導電體佔據了電池系統重量和體積的很大比例，所以對導電體還提出了輕質化、薄型化的要求。
目前，應用於燃料電池系統的導電體一般是由耐腐蝕金屬或碳材料構成。耐腐蝕金屬一般都是不鏽鋼系列或由其改性得到，如316L、901等，機加工特性及成型性好，但其製作的導電體重量重、表面接觸電阻大。一般需要採用表面鍍層，降低面接觸電阻和減弱腐蝕，由於鍍層存在大量微孔及不耐腐蝕的中間過渡層，長期工作腐蝕依然嚴重，並且成本高；碳材料在燃料電池環境中，具有很好的耐腐蝕性和低的面接觸電阻，並且質量輕，但碳材料體電導率和金屬相比還是低很多，並且碳材料具有硬度高而脆特性，加工困難、成型性差，在外力衝擊下易斷裂，電池可靠性難以保證。
綜合來看，目前應用於各類燃料電池的導電體都很難兼顧高電導率、低面接觸電阻、高強度、易成型、耐腐蝕、低成本等特性。因此，還不能完全滿足使用需求。發明內容
發明目的:針對現有技術中存在的不足，本發明的目的是提供一種應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件，使其兼具碳材料和金屬材料的雙重特性，以期實現燃料電池導電體兼顧高電導率、低面接觸電阻、高強度、易成型、耐腐蝕、低成本。本發明的另一目的是提供一種製備上述應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件的方法。
技術方案:為了實現上述發明目的，本發明採用的技術方案如下: 一種應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件，包括金屬晶片，在所述的金屬晶片上設有納米碳纖維保護層。
所述的納米碳纖維保護層的成分由納米碳纖維和高分子樹脂組成，其中，納米碳纖維佔納米碳纖維保護層重5(Γ90%。
所述的高分子樹脂為環氧類樹脂、PTFE聚四氟乙烯或PVDF聚偏氟乙烯。
所述的金屬晶片選自不鏽鋼晶片、銅晶片、鈦合金晶片、鋁晶片或鎂鋁合金晶片。
所述的納米碳纖維保護層,厚度為0.05mnT2mm。
一種製備應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件的方法:先將納米碳纖維與高分子樹脂高速攪拌製成膏狀體，再將金屬晶片放入模具，利用螺杆擠出機注入膏狀體，注射成型；脫模後，真空燒結成型即可。
一種製備應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件的方法:先將納米碳纖維、高分子樹脂及溶劑配成漿液，接著在金屬晶片表面超聲噴塗成型，最後再真空燒結，即可。
有益效果:與現有技術相比，本發明應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件，兼具碳材料和金屬材料的雙重特性，可實現燃料電池導電體兼顧高電導率、低面接觸電阻、高強度、易成型、耐腐蝕、低成本,可大幅度改善燃料電池核心電連接件的成型工藝，使得燃料電池電連接件的選材更為廣泛，避免了燃料電池複雜電場、水氣環境下電連接件的腐蝕，減小了電連接點的接觸電阻，提升了電池的電性能及壽命，特別適用於各類需要在電池化學物質反應區內部進行電連接的燃料電池。
圖1是具有納米碳纖 維保護層的導電體基本結構示意圖； 圖2是具有納米碳纖維保護層的導電體異形結構示意圖； 圖3是具有納米碳纖維保護層的燃料電池雙極板結構圖； 圖4是具有納米碳纖維保護層的金屬燃料電池陽極電連接器； 圖5是應用於金屬燃料電池電連接器圖； 圖6是傳統電連接圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作更進一步的說明。
本發明的具有納米碳纖維保護層的金屬構件，是由納米碳纖維、高分子樹脂、金屬晶片模具注射成型或納米碳纖維、高分子樹脂及溶劑配成的漿液在金屬晶片表面超聲噴塗成型，然後高溫真空燒結而成，如圖1所示，納米碳纖維保護層2設在金屬晶片I外側。其中金屬晶片可以預先加工出所需流道或加工成異型結構，如圖2所示，納米碳纖維保護層2設在異形金屬薄片3外側。金屬晶片的材料可以是不鏽鋼、銅、鈦合金、鋁或鎂鋁合金。納米碳纖維尺度介於5(Γ3000納米，佔保護層重量的50、0% ;高分子樹脂為環氧類樹脂、PTFE聚四氟乙烯或PVDF聚偏氟乙烯，佔保護層重量的1(Γ50%。納米碳纖維保護層的厚度為0.05mnT2mmo
具有納米碳纖維保護層的金屬構件，在成型時，首先，將高分子樹脂、納米碳纖維按比例混合，高速攪拌，製成3(Γ300釐泊粘度的膏狀體。對於金屬晶片形狀較為規則，需要較厚保護層的導電體，一般採用模具注射成型。利用工藝臺，將金屬晶片在注射模具中定位固定，模具型腔與金屬晶片表面保持所需保護層厚度相適應的間距，其大小需按上述混合料的收縮率確定，模具型腔表面需要噴塗脫模劑。在130°C 30(TC溫度下，利用螺杆擠出機注入上述納米碳纖維高分子混合物成型。脫模後，將其置於真空烘箱中20(rc loot:燒結成型。對於金屬晶片形狀較為複雜，需要較薄保護層的導電體，一般採用超聲噴塗複合，將高分子樹脂、納米碳纖維、溶劑(例如乙醇、丙酮、乙二醇等)按比例混合，高速攪拌，製成10^100釐泊粘度的漿液，然後利用超聲噴塗機，將漿液分若干次噴塗到金屬構件表面，每次噴塗完畢，需將其晾乾，直至達到所需保護層厚度。最後將噴塗完畢的構件置於真空烘箱中2000C 400°C燒結成型。
實施例1 先採用鋁合金加工出具有流道的燃料電池用雙極板4，如圖3所示。將環氧樹脂、納米碳纖維按重量比3:7混合，高速攪拌，製成150釐泊納米碳纖維膏狀體，將雙極板定位固定於注射模具中，模具型腔與金屬晶片表面保持Imm間距。在80°C下，利用螺杆擠出機注入上述納米碳纖維高分子混合物成型。脫模後，將構件置於真空烘箱中200°C燒結成型，即得到具有0.8mm厚納米碳纖維保護層鋁雙極板，具有質量輕，高導電、耐腐蝕的特點。
實施例2 採用銅片衝壓出如圖4所示的金屬燃料電池陽極電連接器5。將60%聚四氟乙烯乳液、納米碳纖維按重量比4:6混合，加入10倍體積(相對於混合物)的乙醇溶劑，高速攪拌，製成納米碳纖維混合漿料。在80°C下，利用超聲噴塗機對電連接器表面噴塗納米碳纖維混合漿料，每次噴塗完畢，晾乾lOmin，直至保護層厚度接近0.5_。然後將電連接器置於真空烘箱中340°C燒結成型，即得到具有0.4_左右厚度納米碳纖維保護層銅片電連接器7，其即具有金屬的彈性又具有碳纖維的耐腐蝕性。
如圖5所示，將納米碳纖維保護層銅片電連接器7直接注塑在金屬燃料電池殼體8底部，當作為金屬燃料6接觸到電連接器就可以將金屬燃料電池陰極9的電通過金屬燃料電池負極引出線10導出，和傳統電連接結構電池相比，具有電池結構簡單，金屬無需加工成特定形狀，導電連接器不需要特殊保護就可以反覆使用。而傳統電連接如圖6所示，如果採用金屬直接引出，需要將金屬加工側分支條，浪費金屬，加工複雜；如果用引線引出，需要用螺釘連接二者，同時還需在連接點塗抹保護膠11，更換燃料複雜，使用不便，不利於電池的反覆應用，也不利於電池的上蓋密封結構。
以上所述的實施例只是為更好地解釋本發明而給出的優選的具體實施方案，本領域的技術人員在本方案範圍內進行的工藝步驟、材料替換都應包含在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件，其特徵在於:包括金屬晶片，在所述的金屬晶片上設有納米碳纖維保護層。
2.根據權利要求1所述的應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件，其特徵在於:所述的納米碳纖維保護層的成分由納米碳纖維和高分子樹脂組成，其中，納米碳纖維佔納米碳纖維保護層重5(Γ90%。
3.根據權利要求2所述的應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件，其特徵在於:所述的高分子樹脂為環氧類樹脂、PTFE聚四氟乙烯或PVDF聚偏氟乙烯。
4.根據權利要求1所述的應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件，其特徵在於:所述的金屬晶片選自不鏽鋼晶片、銅晶片、鈦合金晶片、鋁晶片或鎂鋁合金晶片。
5.根據權利要求1所述的應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件，其特徵在於:所述的納米碳纖維保護層，厚度為0.05mnT2mm。
6.一種製備權利要求1或2所述的應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件的方法，其特徵在於:先將納米碳纖維與高分子樹脂高速攪拌製成膏狀體，再將金屬晶片放入模具，利用螺杆擠出機注入膏狀體，注射成型；脫模後，真空燒結成型即可。
7.一種製備權利要求1或2所述的應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件的方法，其特徵在於:先將納米碳纖維、高分子樹脂及溶劑配成漿液，接著在金屬晶片表面超聲噴塗成型 ，最後再真空燒結，即可。
全文摘要
本發明公開了一種應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件及其製備方法，該金屬構件包括金屬晶片，在所述的金屬晶片上設有納米碳纖維保護層。所述的納米碳纖維保護層的成分由納米碳纖維和高分子樹脂組成，其中，納米碳纖維佔納米碳纖維保護層重50~90%。本發明應用於燃料電池的具有納米碳纖維保護層的金屬構件，兼具碳材料和金屬材料的雙重特性，可實現燃料電池導電體兼顧高電導率、低面接觸電阻、高強度、易成型、耐腐蝕、低成本，可大幅度改善燃料電池核心電連接件的成型工藝，使得燃料電池電連接件的選材更為廣泛，避免了燃料電池複雜電場、水氣環境下電連接件的腐蝕，減小了電連接點的接觸電阻，提升了電池的電性能及壽命。
文檔編號H01M8/02GK103137984SQ20131007240
公開日2013年6月5日 申請日期2013年3月7日 優先權日2013年3月7日
發明者劉建國, 黎波, 劉文明, 姚穎方, 鄒志剛, 顧軍 申請人:南京大學