一种PEM电解槽阳极双极板的制备方法与流程

一种pem电解槽阳极双极板的制备方法
技术领域
1.本发明属于pem水电解制氢领域，特别涉及一种pem电解槽阳极双极板的制备方法。

背景技术：

2.目前pem水电解制氢技术已在加氢站现场制氢、风电等可再生能源电解水制氢、储能等领域得到示范应用并逐步推广。过去5年电解槽成本已下降了40％，但是投资和运行成本高仍然是pem水电解制氢需要面临的重大挑战。pem水电解制氢区别于碱性水电解制氢，pem水电解制氢选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜，能有效阻止电子传递，提高电解槽安全性。pem水电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳双极板等。
3.pem水电解槽电压较燃料电池高，阳极板需要极高的抗氧化性能和导电性能。传统的不锈钢材料无法满足要求，构筑多梯度涂层是提高阳极双极板寿命的有效途径。

技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种pem电解槽阳极双极板的制备方法，该方法得到的阳极双极板具有较高的机械强度、抗氧化性、抗腐蚀性能及优异的导电和疏水性能，适用于强氧化性环境的质子交换膜。
5.本发明提供了一种pem电解槽阳极双极板的制备方法，包括：
6.(1)对不锈钢金属基体进行切割，随后进行表面除油酸洗，再进行浸泡腐蚀加工，使得基体表面形成微纳米空洞；
7.(2)将经过上述处理的基体超声洗净后，在表面电镀ni及ni-cr复合层，再挂附导电炭黑与环氧树脂构成的浆料，随后固化、碳化及合金化形成梯度涂层,在最后进行复合轧制和冲压，清理得到pem电解槽阳极双极板。
8.所述步骤(1)中的切割要求为：延伸率≥10％，杯突值≥6.5mm，以保证后续的冲压性能。
9.所述步骤(1)中的浸泡腐蚀加工使用的加工液组成为：0.3-0.6mol/l fecl3，0.3-0.6mol/l naf和1-2mol/l naoh；加工时间为0.1-2h。
10.所述步骤(1)中的微纳米空洞的深度为10-20μm。
11.所述步骤(2)中的ni涂层厚度为10μm，ni-cr复合层的厚度为15-20μm。
12.所述挂附导电炭黑与环氧树脂构成浆料的厚度为10-15μm，成分占比为导电炭黑80％，环氧树脂20％，应用酒精作为溶剂混合均匀。
13.所述步骤(2)中的固化温度为180-200℃，固化时间为20-40min。
14.所述步骤(2)中的碳化温度为600-700℃，碳化时间为3-6h，并通入氮气。
15.所述步骤(2)中的梯度涂层为c-crc(crcn)-nicr-ni-基体涂层。通过cr金属与碳之间以及气氛终游离的氮在后续的热处理过程中存在扩散而成crc(crcn)。所述梯度涂层
有利于提高阳极双极板寿命、抗氧化性能和导电性能，同时表面的石墨碳具有极好的疏水性和导电性能，同时即使在高电压碳进行氧化，仍有crc(crcn)陶瓷相可以实现高导电和高抗氧化性。
16.所述步骤(2)中的复合轧制温度为550-650℃，时间为2-3h，轧制变形度为5％-8％。
17.所述步骤(2)中的清理为：进行冲压流道，同时对表面的碳微粉颗粒进行清理。
18.有益效果
19.本发明得到的阳极双极板具有较高的机械强度、抗氧化性、抗腐蚀性能及优异的导电和疏水性能，适用于强氧化性环境的pem电解槽。
具体实施方式
20.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
21.实施例1
22.(1)对不锈钢金属基体进行切割，延伸率≥10％，杯突值≥6.5mm；随后进行表面除油酸洗，再进行浸泡腐蚀加工，加工液组成为：0.3mol/l fecl3，0.3mol/l naf和1mol/l naoh；加工时间为0.2h，使得基体表面形成15μm的微纳米空洞；
23.(2)将经过上述处理的基体超声洗净后，在表面电镀10μm和20μm的ni及ni-cr复合层，采用刮板挂附导电炭黑与环氧树脂构成浆料(导电炭黑80％，环氧树脂20％)的厚度为10μm。随后180℃下进行固化30min，700℃下碳化2h，氮气气氛，形成c-crc(crcn)-cr-ni-基体涂层，最后在550℃下氮气保护2h加热，再进行复合轧制，轧制变形度为5％，最后双极板的厚度为2mm，对获得复合涂层样件进行冲压流道，同时对表面的碳微粉颗粒进行清理，最终得到一种pem电解槽阳极双极板。
24.(3)对所制备的pem电解槽阳极双极板进行性能测试，测试采用四探针电阻测试仪进行，直接读出测试电导率，腐蚀电流密度采用三电极测试，腐蚀介质为0.5m h2so4+5ppmhf，测试温度为70℃，其使用寿命大于5800h，电导率为110s/cm，腐蚀电流密度为0.15μa/cm2。
25.实施例2
26.(1)对不锈钢金属基体进行切割，延伸率≥10％，杯突值≥6.5mm；随后进行表面除油酸洗，再进行浸泡腐蚀加工，加工液组成为：0.6mol/l fecl3，0.6mol/l naf和2mol/l naoh；加工时间为0.1h，使得基体表面形成15μm的微纳米空洞；
27.(2)将经过上述处理的基体超声洗净后，表面电镀10μm和20μm的ni及ni-cr复合层，采用刮板挂附导电炭黑与环氧树脂构成浆料(导电炭黑80％，环氧树脂20％)的厚度为15μm，随后180℃下进行固化40min，700℃下碳化3h，氮气气氛，形成c-crc(crcn)-cr-ni-基体涂层，最后在650℃下氮气保护2h加热，再进行复合轧制，轧制变形度为5％，最后双极板的厚度为2mm，对获得复合涂层样件进行冲压流道，同时对表面的碳微粉颗粒进行清理，最终得到一种pem电解槽阳极双极板。
28.(3)对所制备的pem电解槽阳极双极板进行性能测试，测试方法同实施例1，其使用寿命大于7000h，电导率为125s/cm，腐蚀电流密度为0.12μa/cm2。
29.实施例3
30.(1)对不锈钢金属基体进行切割，延伸率≥10％，杯突值≥6.5mm；随后进行表面除油酸洗，再进行浸泡腐蚀加工，加工液组成为：0.4mol/l fecl3，0.4mol/l naf和2mol/l naoh；加工时间为10min，使得基体表面形成10μm的微纳米空洞；
31.(2)将经过上述处理的基体超声洗净后，表面电镀10μm和20μm的ni及ni-cr复合层，采用刮板挂附导电炭黑与环氧树脂构成浆料(导电炭黑80％，环氧树脂20％)的厚度为12μm。随后200℃下进行固化30min，650℃下碳化3h，形成c-crc(crcn)-cr-ni-基体涂层，最后在550℃下氮气保护3h加热，再进行复合轧制，轧制变形度为8％，最后双极板的厚度为2mm，对获得复合涂层样件进行冲压流道，同时对表面的碳微粉颗粒进行清理，最终得到一种pem电解槽阳极双极板。
32.(3)对所制备的pem电解槽阳极双极板进行性能测试，测试方法同实施例1，其使用寿命大于6500h，电导率为118s/cm，腐蚀电流密度为0.13μa/cm2。
33.实施例4
34.(1)对不锈钢金属基体进行切割，延伸率≥10％，杯突值≥6.5mm；随后进行表面除油酸洗，再进行浸泡腐蚀加工，加工液组成为：0.5mol/l fecl3，0.5mol/l naf和1.5mol/l naoh；加工时间为20min，使得基体表面形成20μm的微纳米空洞；
35.(2)将经过上述处理的基体超声洗净后，表面电镀10μm和20μm的ni及ni-cr复合层，采用刮板挂附导电炭黑与环氧树脂构成浆料(导电炭黑80％，环氧树脂20％)的厚度为15μm。随后200℃下进行固化40min，700℃下碳化4h，氮气气氛，形成c-crc(crcn)-cr-ni-基体涂层，最后在650℃下氮气保护3h加热，再进行复合轧制，轧制变形度为6％，最后双极板的厚度为2mm，对获得复合涂层样件进行冲压流道，同时对表面的碳微粉颗粒进行清理，最终得到一种pem电解槽阳极双极板。
36.(3)对所制备的pem电解槽阳极双极板进行性能测试，其使用寿命大于8000h，电导率为127s/cm，腐蚀电流密度为0.09μa/cm2。
37.实施例5
38.(1)对不锈钢金属基体进行切割，延伸率≥10％，杯突值≥6.5mm；随后进行表面除油酸洗，再进行浸泡腐蚀加工，加工液组成为：0.6mol/l fecl3，0.3mol/l naf和1mol/l naoh；加工时间为15min，使得基体表面形成15μm的微纳米空洞；
39.(2)将经过上述处理的基体超声洗净后，表面电镀10μm和15μm的ni及ni-cr复合层，采用刮板挂附导电炭黑与环氧树脂构成浆料(导电炭黑80％，环氧树脂20％)的厚度为10μm。随后180℃下进行固化25min，600℃下碳化3h，形成c-crc(crcn)-cr-ni-基体涂层，最后在650℃下氮气保护2h加热，再进行复合轧制，轧制变形度为7％，最后双极板的厚度为2mm，对获得复合涂层样件进行冲压流道，同时对表面的碳微粉颗粒进行清理，最终得到一种pem电解槽阳极双极板。
40.(3)对所制备的pem电解槽阳极双极板进行性能测试，其使用寿命大于6700h，电导率为115s/cm，腐蚀电流密度为0.13μa/cm2。
41.实施例6
42.(1)对不锈钢金属基体进行切割，延伸率≥10％，杯突值≥6.5mm；随后进行表面除油酸洗，再进行浸泡腐蚀加工，加工液组成为：0.4mol/l fecl3，0.5mol/l naf和1.5mol/l naoh；加工时间为40min，使得基体表面形成20μm的微纳米空洞；
43.(2)将经过上述处理的基体超声洗净后，表面电镀10μm和20μm的ni及ni-cr复合层，采用刮板挂附导电炭黑与环氧树脂构成浆料(导电炭黑80％，环氧树脂20％)的厚度为15μm。随后200℃下进行固化30min，600℃下碳化3h，氮气保护，形成c-crc(crcn)-cr-ni-基体涂层，最后在650℃下氮气保护2h加热，再进行复合轧制，轧制变形度为5％，最后双极板的厚度为2mm，对获得复合涂层样件进行冲压流道，同时对表面的碳微粉颗粒进行清理，最终得到一种pem电解槽阳极双极板。
44.(3)对所制备的pem电解槽阳极双极板进行性能测试，测试方法同实施例1，其使用寿命大于6900h，电导率为121s/cm，腐蚀电流密度为0.12μa/cm2。
45.对比例1
46.(1)对不锈钢金属基体进行切割，延伸率≥10％，杯突值≥6.5mm；随后进行表面除油酸洗，再进行浸泡腐蚀加工，加工液组成为：0.3mol/l fecl3，0.3mol/l naf和1mol/l naoh；加工时间为0.2h，使得基体表面形成15μm的微纳米空洞；
47.(2)将经过上述处理的基体超声洗净后，表面电镀10μm和10μm的ni及ni-cr复合层，在550℃下氮气保护2h加热，在进行复合轧制，轧制变形度为5％。由于缺少固化过程，涂层与基体结合力较差，在轧制过程中出现边缘开裂，影响后续冲压加工，增加额外剪裁工序后，获得了厚度为2mm双极板样件，但是在对样件进行冲压流道过程中由于ni-cr复合层与不锈钢基体的变形能力不同、应变梯度差异大、变形协调性不佳，难以获得高尺寸精度的流道。
48.(3)对所制备的pem电解槽阳极双极板进行性能测试，测试方法同实施例1，使用寿命低于3500h，腐蚀电流密度为1.2μa/cm2，电导率为60s/cm。上述性能难以满足工业电解槽的使用需求。
49.对比例2
50.(1)对不锈钢金属基体进行切割，延伸率≥10％，杯突值≥6.5mm；随后进行表面除油酸洗，再进行浸泡腐蚀加工，加工液组成为：0.3mol/l fecl3，0.3mol/l naf和1mol/l naoh；加工时间为0.2h，使得基体表面形成15μm的微纳米空洞；
51.(2)将经过上述处理的基体超声洗净后，在表面电镀10μm和20μm的ni及ni-cr复合层，采用刮板挂附导电炭黑与环氧树脂构成浆料(导电炭黑80％，环氧树脂20％)的厚度为10μm。随后300℃下进行固化30min，700℃下碳化2h，氮气气氛，最后在550℃下氮气保护2h加热，再进行复合轧制，轧制变形度为5％，最后双极板的厚度为2mm，对获得复合涂层样件进行冲压流道，同时对表面的碳微粉颗粒进行清理，最终得到一种pem电解槽阳极双极板。
52.(3)对所制备的pem电解槽阳极双极板进行性能测试，其使用寿命大于5000h，电导率为130s/cm，腐蚀电流密度为0.12μa/cm2，但pem电解槽阳极双极板会变脆。
53.对比例3
54.(1)对不锈钢金属基体进行切割，延伸率≥10％，杯突值≥6.5mm；随后进行表面除油酸洗，再进行浸泡腐蚀加工，加工液组成为：0.3mol/l fecl3，0.3mol/l naf和1mol/l naoh；加工时间为0.2h，使得基体表面形成15μm的微纳米空洞；
55.(2)将经过上述处理的基体超声洗净后，在表面电镀10μm和20μm的ni及ni-cr复合层，采用刮板挂附导电炭黑与环氧树脂构成浆料(导电炭黑80％，环氧树脂20％)的厚度为10μm。随后180℃下进行固化30min，800℃下碳化2h，氮气气氛，最后在550℃下氮气保护2h加热，再进行复合轧制，轧制变形度为5％，最后双极板的厚度为2mm，对获得复合涂层样件进行冲压流道，同时对表面的碳微粉颗粒进行清理，最终得到一种pem电解槽阳极双极板。
56.(3)对所制备的pem电解槽阳极双极板进行性能测试，使用寿命大于4500h，电导率为143s/cm，腐蚀电流密度为0.11μa/cm2，但pem电解槽阳极双极板会变脆。

技术特征：

1.一种pem电解槽阳极双极板的制备方法，包括：(1)对不锈钢金属基体进行切割，随后进行表面除油酸洗，再进行浸泡腐蚀加工，使得基体表面形成微纳米空洞；(2)将经过上述处理的基体超声洗净后，在表面电镀ni及ni-cr复合层，再挂附导电炭黑与环氧树脂构成的浆料，随后固化、碳化及合金化形成梯度涂层,在最后进行复合轧制和冲压，清理得到pem电解槽阳极双极板。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的切割要求为：延伸率≥10％，杯突值≥6.5mm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的浸泡腐蚀加工使用的加工液组成为：0.3-0.6mol/l fecl3，0.3-0.6mol/l naf和1-2mol/l naoh；加工时间为0.1-2h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的微纳米空洞的深度为10-20μm。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的ni涂层厚度为10μm，ni-cr复合层的厚度为15-20μm；所述挂附导电炭黑与环氧树脂构成浆料的厚度为10-15μm，成分占比为导电炭黑80％，环氧树脂20％，应用酒精作为溶剂混合均匀。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的固化温度为180-200℃，固化时间为20-40min。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的碳化温度为600-700℃，碳化时间为3-6h，并通入氮气。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的梯度涂层为c-crc(crcn)-nicr-ni-基体涂层。9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的复合轧制温度为550-650℃，时间为2-3h，轧制变形度为5％-8％。10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的清理为：进行冲压流道，同时对表面的碳微粉颗粒进行清理。

技术总结

本发明涉及一种PEM电解槽阳极双极板的制备方法，包括：(1)对不锈钢金属基体进行切割，随后进行表面除油酸洗，再进行浸泡腐蚀加工，使得基体表面形成微纳米空洞；(2)将经过上述处理的基体超声洗净后，在表面电镀Ni及Ni-Cr复合层，再挂附导电炭黑与环氧树脂构成的浆料，随后固化、碳化及合金化形成梯度涂层,在最后进行复合轧制和冲压，清理得到PEM电解槽阳极双极板。本发明得到的阳极双极板具有较高的机械强度、抗氧化性、抗腐蚀性能及优异的导电和疏水性能，适用于强氧化性环境的质子交换膜电解槽的双极板。电解槽的双极板。