用于质子交换膜燃料电池双极板的金属陶瓷材料V, Zr, Cr掺杂改性的钛硅碳及其制备方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种用于质子交换膜燃料电池双极板的金属陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有零排放，零污染的特性，是清洁环保的发电技术，是终极能源动力解决方案。作为燃料电池的关键零部件之一，双极板的作用是分隔燃料、氧化剂和冷却液，通过流道将燃料和氧化剂均匀供应给电极进行电化学反应，将冷却液分配到各个冷却腔体，移出反应产生的热量，收集单节电池上电化学产生的电流。同时双极板起到对燃料电池单体起到支撑的作用，将单节电池依次连接组成电堆。因此，双极板需要满足高电导率和热导、高机械强度、有效阻隔反应流体、耐腐蚀性好、材料成本低以及可进行大规模自动化生产等要求。

目前，双极板主要有石墨双极板、金属双极板和复合双极板三种。石墨以其高强度、高密度以及优良的导电、导热性能成为最传统的双极板材料，而且其优良的耐久性和抗腐蚀性能也能够满足PEMFC电池堆的酸性工作环境，是当前应用最多的双极板材料。但是，石墨本身是多孔结构，在加工时还要用特定的工艺将孔堵住，即便如此也难以保证石墨双极板最终的阻气性；并且，石墨质地较脆且易碎，无法做成薄板，切割加工周期长，石墨化温度高，因此加工难度大，成本较高，并且体积大、难以进一步提高电堆的体积功率密度，从而限制了其在乘用车上商业化发展和应用。金属双极板强度高，易加工，超薄双极板容易获得规模化生产，能提升燃料电池的比功率。但是双极板工作环境中具有多种腐蚀性离子，如SO

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中PEMFC所采用石墨双极板、金属双极板和复合双极板存在的上述问题，提出了一种用于质子交换膜燃料电池双极板的金属陶瓷材料及其制备方法，该金属陶瓷材料为V,Zr,Cr掺杂改性的改性钛硅碳材料，不是各个原粉末的简单混合或者简单的烧结，而是通过在热压烧结炉中原位热压反应后，形成一种相成分，是一种单相。该改性钛硅碳金属陶瓷材料在PEMFC上具有实用化前景，可以为双极板材料的发展做出巨大的贡献。

本发明的技术方案是：

一种用于质子交换膜燃料电池双极板的金属陶瓷材料，所述金属陶瓷材料为V,Zr,Cr掺杂改性的钛硅碳材料，改性钛硅碳的化学式为(Ti

进一步的，所述改性钛硅碳的密度为(4.45～4.65)g/cm

进一步的，所述改性钛硅碳的致密度高于90％，优选地高于95％，可以避免在服役过程中出现气体泄漏的问题。

一种用于质子交换膜燃料电池双极板的金属陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

将原料Ti粉、N粉、硅粉以及石墨粉按照原子百分比Ti：N：Si：C＝3(1-x)：3x：1：2的比例进行配制，配好后的原料粉末用酒精进行混合，然后球磨，球磨时间为5～48h，晾干备用；然后在5～15MPa压力条件下进行冷压，再采用氩气为保护气，在温度1450～1750℃的热压烧结炉中烧结，保温30～75min。

进一步的，所述x为0.01～0.15；所述N粉为V金属粉末、Zr金属粉末、Cr金属粉末中的任一种或几种。

进一步的，所述热压烧结炉中的压力为40～60MPa。

本发明中的各组分原料通过制备工艺合成单相材料，并且把该种单相材料V,Zr,Cr掺杂改性的钛硅碳作为质子交换燃料电池双极板属于本领域中的首例。该改性钛硅碳材料同时具有金属和陶瓷的优良性能，和金属一样，在常温下有很好的导电性能和导热性能，较高的弹性模量，在常温下有延展性，可以像金属与石墨一样进行机械加工；同时又具有陶瓷材料的特性，具有高的屈服强度和高熔点、高热稳定性和优异的抗腐蚀性。并且，在Ti位置固溶掺杂V、Zr、Cr等元素，能够极大地提高钛硅碳块体的耐腐蚀性能，使之能在PFMFC的工作环境中能稳定工作。

一种用于质子交换膜燃料电池双极板的金属陶瓷材料在制备质子交换膜燃料电池双极板中的应用。

进一步的，所述改性钛硅碳材料在室温下的电导率为(4.0～4.8)×10

进一步的，所述改性钛硅碳材料在室温下的热导率为(32～39)W/m·K，能保证双极板具有高的热传导能力。

进一步的，在燃料电池模拟环境(H

进一步的，在组装力为150N/cm

本发明的有益效果：

本发明制备的V,Zr,Cr掺杂改性的钛硅碳金属陶瓷材料具有优异的性能，包括：

(1)较高的导电性能；可以保证其作为双极板具有良好的导电性；

(2)较高的导热性能；此金属陶瓷材料所具有的高的热导率能保证双极板具有高的热传导能力；

(3)热稳定性好；该金属陶瓷材料为单相材料，其热分解温度大于1580℃，键强高，结构稳定，能保证材料不会在服役期内变性，避免发生结构失效；

(4)抗蠕变性能高；高的抗蠕变性能能够减少蠕变失效，减少双极板服役过程中的力学损伤；

(5)易加工；良好的加工性能，能减少双极板材料的加工成本；

(6)耐腐蚀性能；此金属陶瓷材料具有良好的耐腐蚀性能，能够防止服役过程中表面的腐蚀；同时，在Ti位置固溶掺杂V,Zr,Cr等元素，能够极大地提高钛硅碳块体的耐腐蚀性能，从而避免对电极的破坏，以及表面电阻的升高；

(7)具有高的弹性模量；在1020℃温度以下，该改性钛硅碳材料的内耗基本不会增加。

附图说明

图1为实施例1制备得到的V掺杂的改性钛硅碳材料(Ti

图2为V掺杂的钛硅碳材料在燃料电池模拟环境(H

图3为实施例3制备得到的Cr掺杂的改性钛硅碳材料(Ti

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了进一步理解本发明，将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种用于质子交换膜燃料电池双极板的金属陶瓷材料的制备方法，本实施例中采用V掺杂钛硅碳材料，包括以下步骤：

采用Ti，V，Si和C元素粉为原始合成材料，按照Ti：V：Si：C＝2.85：0.15：1：2的配比配置原料粉末，配好的原料粉末用酒精混合放入球墨罐中球磨，球磨时间为10h，取出过筛，晾干备用；冷压用7MPa压力，然后在氩气环境下热压烧结炉中最高40MPa压力进行烧结，1600℃保温75min。

制备得到的金属陶瓷材料为V掺杂的改性钛硅碳材料，其化学式为(Ti

利用由阿基米德方法(ISO 18754)测定得该块体材料的致密度为98.5％。从烧结致密的大块材料上用线切割方法切Φ30×5mm，4×4×40mm

样品的密度为4.48g/cm

如图2所示为V掺杂的改性钛硅碳材料在燃料电池模拟环境(H

测试得到，在燃料电池模拟环境(H

实施例2

一种用于质子交换膜燃料电池双极板的金属陶瓷材料的制备方法，本实施例中采用Zr掺杂钛硅碳材料，包括以下步骤：

采用Ti，Zr，Si和C元素粉为原始合成材料，按照Ti：Zr：Si：C＝2.7：0.3：1：2的配比配置原料粉末，配好的原料粉末用酒精混合放入球墨罐中球磨，球磨时间为30h，取出过筛，晾干备用；冷压用10MPa压力，然后在氩气环境下热压烧结炉中最高60MPa压力进行烧结，1620℃保温60min。

制备得到的金属陶瓷材料为Zr掺杂的改性钛硅碳材料，其化学式为(Ti

利用由阿基米德方法(ISO 18754)测定得该块体材料的致密度为99.3％。从烧结致密的大块材料上用线切割方法切Φ30×5mm，4×4×40mm

样品的密度为4.51g/cm

在燃料电池模拟环境中，即H

实施例3

一种用于质子交换膜燃料电池双极板的金属陶瓷材料的制备方法，本实施例中采用Cr掺杂钛硅碳材料，包括以下步骤：

采用Ti，Cr，Si和C元素粉为原始合成材料，按照Ti：Cr：Si：C＝2.94：0.06：1：2的配比配置原料粉末，配好的原料粉末用酒精混合放入球墨罐中球磨，球磨时间为30h，取出过筛，晾干备用；冷压用5MPa压力，然后在氩气环境下热压烧结炉中最高50MPa压力进行烧结，1600℃保温70min。

制备得到的金属陶瓷材料为Cr掺杂的改性钛硅碳材料，其化学式为(Ti

利用由阿基米德方法(ISO 18754)测定得该块体材料的致密度为98.3％。从烧结致密的大块材料上用线切割方法切Φ30×5mm，4×4×40mm

样品的密度为4.53g/cm

在燃料电池模拟环境中，即H

上述说明仅为本发明的优选实施例，并非是对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改型等，均应包含在本发明的保护范围之内。