基本信息
- 项目名称：
- 复合导电聚合物改性的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品复合导电聚合物涂层改性的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板，采用304 不锈钢为基体材料，采用科学的正交试验方法，通过对掺杂离子、合成方法（恒电流法、恒电压法、循环伏安法）及合成工艺参数（合成温度、溶液浓度和电化学合成参数等）对单一及复合的聚吡咯涂层、聚苯胺涂层耐蚀性和导电性的影响的综合分析制备而成，满足了国家最新颁发的《质子交换膜燃料电池》的各项性能指标，并且研究了作品的生产工艺。
- 详细介绍：
- 质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有高效率、无污染、无噪声、可连续工作的特点，且功率密度高、工作温度低、启动快、使用寿命长。伴随科技的进步以及能源危机、环境污染和矿物资源枯竭等问题的出现，世界各国已把PEMFC综合利用作为一个重要的研究课题。到目前为止，PEMFC中的一些部件成本较高限制其商业化进程。其中，双极板作为PEMFC的主要的结构和功能部件占整个电堆质量和体积的80%，成本的46%。因此，对双极板材料及其制作工艺的开发是提高PEMFC使用性能，降低制造成本的主要途径之一。 本作品采用电化学方法合成方法，将两种不同离子交换性及不同氧化还原电位的导电聚合物复合，通过减少单一导电聚合物的孔隙率，降低离子向基体金属的扩散速率，将与基体金属接触的发生还原反应的导电聚合物原位氧化，提高复合涂层的化学稳定性，制备出具有优异性能的质子交换膜燃料电池金属双极板。 本项目研究了复合涂层双极板的生产工艺。通过对合成方法、工艺和参数的优化，电阻、氢氢气渗透率、腐蚀速率、抗压强度、密度等各项技术指标，都达到了国家最新燃料电池相关标准，部分性能优于国标。另外，本研究对作品的市场前景和经济效益进行了初步预测。 本项目主要创新之处是将两种具有不同离子交换性及不同氧化还原电位的聚吡咯及聚苯胺涂层复合,制备出具有良好化学稳定性和导电性能的复合导电聚合物涂层，对不锈钢双极板进行表面防护，进而获得性能优异的质子交换膜燃料电池用金属双极板。该作品符合国内燃料电池使用的相关规定和当今社会新能源发展方向，极大促进了PEMFC商业化的进程。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目 的： 通过对复合导电涂层的合成方法和合成工艺的优化，提出最优化工艺参数，制备耐蚀性、导电性好的复合导电聚合物涂层/不锈钢双极板。 基本思路： 1、采用304不锈钢为基体材料； 2、用正交方法研究各参数对单一的聚吡咯涂层、聚苯胺涂层耐蚀性和导电性的影响，优化工艺参数； 3、用腐蚀电化学理论，结合微观形貌分析，探讨涂层的耐蚀性能和防护机理； 4、研究聚吡咯与聚苯胺涂层的合成电量、掺杂离子、涂层组合次序等对复合导电涂层在中的抗腐蚀性能和导电性能的影响，优化工艺参数； 5、研究自然浸泡及加载电池工作电位条件下，复合导电涂层/不锈钢双极板的腐蚀电化学性能、导电性能，并对腐蚀后的复合导电涂层与基体金属的结合力进行测试。 创新点 ： 创新性地将两种具有不同离子交换性及不同氧化还原电位的聚吡咯及聚苯胺涂层复合,制备出具性能优异的质子交换膜燃料电池用金属双极板。 技术关键： 1、合适的阴离子对聚吡咯和聚苯胺涂层进行掺杂合成； 2、复合涂层的导电性和抗腐蚀性的检测； 3、涂层与基体间具有良好的结合力。 技术指标： 1、电阻<0.01Ω•cm2； 2、氢气渗透率<10-4cm3/s.cm2 ； 3、腐蚀速率小于0.016mA/cm2 ； 4、抗压强度>0.15MPa； 5、密度<5g/cm2。
科学性、先进性
- 科学性： 1、大分子掺杂合成的导电聚合物为阳离子交换性，可阻止溶液中阴离子进入到涂层内部或基体表面，而小分子掺杂合成的导电聚合物则相反，为阴离子交换性，可阻止溶液中的阳离子通过涂层进入到基体表面。本项目中分别采用大分子和小分子掺杂合成的导电聚合物并将其复合，以达到提高整个涂层的耐蚀性的目的。 2、选用氧化还原电位“内低外高”的涂层组合结构保证复合涂层的导电性，当溶液进入到基体表面，内层导电聚合物发生还原反应，导致电位降低，则外部的聚合物可将其再次氧化，以保证复合涂层的导电性，从而很好地利用不同涂层的防腐特性，提高了导电聚合物涂层的稳定性。 先进性： 1、原料来源广泛、合成工艺简单，操作性强，生产周期短。 2、与碳（石墨）材料和复合材料双极板，本双极板除了具有金属双极板强度高、加工性能好等优点外，还具有较大的比能量和比功率。 3、解决了金属双极板在PEMFC工作环境中易腐蚀和钝化的缺陷
获奖情况及鉴定结果
- 2010年获国家科技立项； 2011年长沙理工大学获第四届全国节能减排大赛校级“一等奖”
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 实物、产品 模型 图片 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 双极板是PEMFC的一个多功能的组成部件，除起支撑膜电极和集流导电的作用外，还有导通气体、排水和传热等作用。 技术特点和优势： 1、制备工艺简单，成本低，耐蚀性、电导性强。 2、制备过程无污染环境的有毒气体排放。 3、具有良好的节能降耗性能和制备工艺的优势。 技术性说明： 本作品将两种不同离子交换性及不同氧化还原电位的导电聚合物复合，制备出具有优异性能的质子交换膜燃料电池金属双极板，在可移动电源等方面都有广阔的应用前景。 市场分析和经济效益预测： 我国是电池生产和消费大国，2008年全部电池行业的工业总产值为122.1亿元，在未来的发展中，质子交换膜燃料电池以其独有的性能优势必将逐渐占据电池市场的大部分份额。本项目开发成本仅相当于目前使用的石墨双极板成本的10%,电池比能量和比功率高，经济效益明显。
同类课题研究水平概述
- 国内外围绕金属双极板表面耐蚀、导电涂层开展了广泛研究。目前研究的涂层主要包括二类：一是金属基涂层，如贵金属涂层、金属碳化物或氮化物涂层及金属氧化物涂层。二是碳基涂层，如石墨涂层、类金刚石涂层、导电聚合物涂层。 据报道，贵金属涂层如Au、Ag等尽管作为金属双极板的防护涂层具有优异的耐蚀与导电性能，但由于其成本高，难以满足商业化要求，故不具实用价值。TiN、TiC等金属陶瓷涂层本身电导率高，同时也能起到防止基材腐蚀，降低接触电阻的作用，且不含贵金属，成本相对较低。但传统方法如离子镀等制备的金属陶瓷涂层本身不致密，存在微孔或微观缺陷，腐蚀介质可以沿这些缺陷渗透到基体合金表面； 目前多采用气相沉积的方法制备石墨涂层和类金刚石涂层。T.Fukutsuka等通过等离子体化学气相沉积方法(PCVD)在304不锈钢表面沉积碳，在燃料电池双极板工作环境中的实验结果表明，涂层显著提高了合金的耐蚀性能，并明显降低了接触电阻。Yoshiyuki等在不同温度下（室温~600oC）采用高频等离子体化学气相沉积方法（RE-PECVD）在Ti合金表面制备碳涂层，结果表明，碳涂层极大地降低了接触电阻。尽管得到涂层性能较好，但上述方法制备的涂层一般成本较高，也不适用于质子交换膜燃料电池的产业化需求。 近年来，人们尝试将导电聚合物涂层应用于金属双极板的表面防护。张涛等较系统地研究了十二烷基硫酸钠掺杂的聚吡咯涂层在模拟PEMFC工作环境中的腐蚀行为。结果表明，聚吡咯涂层对316不锈钢有着较好的保护作用；Joseph等在304不锈钢表面电化学合成聚苯胺和聚吡咯涂层。结果表明，两种导电聚合物涂层对金属有着一定的保护作用。Gonzalez研究表明，在聚苯胺和聚吡咯合成溶液中加入聚乙烯乙醇（PVA）后得到的聚合物涂层在PEMFC模拟环境中的抗腐蚀性能优于聚吡咯和聚苯胺涂层，指出这是由于PVA减少了涂层的孔隙，提高了涂层的耐蚀性，但作者并未指出其导电性的变化。为此，在前人工作的基础上，本项目中发展了一种聚吡咯/聚苯胺复合导电涂层，以获得一种耐蚀性好，接触电阻低的不锈钢双极板。该双极板在提高电池体积比能量和比功率的同时，能显著降低双极板的成本。
