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基本信息

項(xiàng)目名稱：
復(fù)合導(dǎo)電聚合物改性的質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的制備
小類：
能源化工
簡介：
本作品復(fù)合導(dǎo)電聚合物涂層改性的質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板，采用304 不銹鋼為基體材料，采用科學(xué)的正交試驗(yàn)方法，通過對摻雜離子、合成方法（恒電流法、恒電壓法、循環(huán)伏安法）及合成工藝參數(shù)（合成溫度、溶液濃度和電化學(xué)合成參數(shù)等）對單一及復(fù)合的聚吡咯涂層、聚苯胺涂層耐蝕性和導(dǎo)電性的影響的綜合分析制備而成，滿足了國家最新頒發(fā)的《質(zhì)子交換膜燃料電池》的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并且研究了作品的生產(chǎn)工藝。
詳細(xì)介紹：
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有高效率、無污染、無噪聲、可連續(xù)工作的特點(diǎn)，且功率密度高、工作溫度低、啟動(dòng)快、使用壽命長。伴隨科技的進(jìn)步以及能源危機(jī)、環(huán)境污染和礦物資源枯竭等問題的出現(xiàn)，世界各國已把PEMFC綜合利用作為一個(gè)重要的研究課題。到目前為止，PEMFC中的一些部件成本較高限制其商業(yè)化進(jìn)程。其中，雙極板作為PEMFC的主要的結(jié)構(gòu)和功能部件占整個(gè)電堆質(zhì)量和體積的80%，成本的46%。因此，對雙極板材料及其制作工藝的開發(fā)是提高PEMFC使用性能，降低制造成本的主要途徑之一。 本作品采用電化學(xué)方法合成方法，將兩種不同離子交換性及不同氧化還原電位的導(dǎo)電聚合物復(fù)合，通過減少單一導(dǎo)電聚合物的孔隙率，降低離子向基體金屬的擴(kuò)散速率，將與基體金屬接觸的發(fā)生還原反應(yīng)的導(dǎo)電聚合物原位氧化，提高復(fù)合涂層的化學(xué)穩(wěn)定性，制備出具有優(yōu)異性能的質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板。 本項(xiàng)目研究了復(fù)合涂層雙極板的生產(chǎn)工藝。通過對合成方法、工藝和參數(shù)的優(yōu)化，電阻、氫氫氣滲透率、腐蝕速率、抗壓強(qiáng)度、密度等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，都達(dá)到了國家最新燃料電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，部分性能優(yōu)于國標(biāo)。另外，本研究對作品的市場前景和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了初步預(yù)測。 本項(xiàng)目主要?jiǎng)?chuàng)新之處是將兩種具有不同離子交換性及不同氧化還原電位的聚吡咯及聚苯胺涂層復(fù)合,制備出具有良好化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性能的復(fù)合導(dǎo)電聚合物涂層，對不銹鋼雙極板進(jìn)行表面防護(hù)，進(jìn)而獲得性能優(yōu)異的質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板。該作品符合國內(nèi)燃料電池使用的相關(guān)規(guī)定和當(dāng)今社會新能源發(fā)展方向，極大促進(jìn)了PEMFC商業(yè)化的進(jìn)程。

作品圖片

  • 復(fù)合導(dǎo)電聚合物改性的質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的制備
  • 復(fù)合導(dǎo)電聚合物改性的質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的制備
  • 復(fù)合導(dǎo)電聚合物改性的質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的制備

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

目 的： 通過對復(fù)合導(dǎo)電涂層的合成方法和合成工藝的優(yōu)化，提出最優(yōu)化工藝參數(shù)，制備耐蝕性、導(dǎo)電性好的復(fù)合導(dǎo)電聚合物涂層/不銹鋼雙極板。 基本思路： 1、采用304不銹鋼為基體材料； 2、用正交方法研究各參數(shù)對單一的聚吡咯涂層、聚苯胺涂層耐蝕性和導(dǎo)電性的影響，優(yōu)化工藝參數(shù)； 3、用腐蝕電化學(xué)理論，結(jié)合微觀形貌分析，探討涂層的耐蝕性能和防護(hù)機(jī)理； 4、研究聚吡咯與聚苯胺涂層的合成電量、摻雜離子、涂層組合次序等對復(fù)合導(dǎo)電涂層在中的抗腐蝕性能和導(dǎo)電性能的影響，優(yōu)化工藝參數(shù)； 5、研究自然浸泡及加載電池工作電位條件下，復(fù)合導(dǎo)電涂層/不銹鋼雙極板的腐蝕電化學(xué)性能、導(dǎo)電性能，并對腐蝕后的復(fù)合導(dǎo)電涂層與基體金屬的結(jié)合力進(jìn)行測試。 創(chuàng)新點(diǎn) ： 創(chuàng)新性地將兩種具有不同離子交換性及不同氧化還原電位的聚吡咯及聚苯胺涂層復(fù)合,制備出具性能優(yōu)異的質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板。 技術(shù)關(guān)鍵： 1、合適的陰離子對聚吡咯和聚苯胺涂層進(jìn)行摻雜合成； 2、復(fù)合涂層的導(dǎo)電性和抗腐蝕性的檢測； 3、涂層與基體間具有良好的結(jié)合力。 技術(shù)指標(biāo)： 1、電阻<0.01Ω?cm2； 2、氫氣滲透率<10-4cm3/s.cm2 ； 3、腐蝕速率小于0.016mA/cm2 ； 4、抗壓強(qiáng)度>0.15MPa； 5、密度<5g/cm2。

科學(xué)性、先進(jìn)性

科學(xué)性： 1、大分子摻雜合成的導(dǎo)電聚合物為陽離子交換性，可阻止溶液中陰離子進(jìn)入到涂層內(nèi)部或基體表面，而小分子摻雜合成的導(dǎo)電聚合物則相反，為陰離子交換性，可阻止溶液中的陽離子通過涂層進(jìn)入到基體表面。本項(xiàng)目中分別采用大分子和小分子摻雜合成的導(dǎo)電聚合物并將其復(fù)合，以達(dá)到提高整個(gè)涂層的耐蝕性的目的。 2、選用氧化還原電位“內(nèi)低外高”的涂層組合結(jié)構(gòu)保證復(fù)合涂層的導(dǎo)電性，當(dāng)溶液進(jìn)入到基體表面，內(nèi)層導(dǎo)電聚合物發(fā)生還原反應(yīng)，導(dǎo)致電位降低，則外部的聚合物可將其再次氧化，以保證復(fù)合涂層的導(dǎo)電性，從而很好地利用不同涂層的防腐特性，提高了導(dǎo)電聚合物涂層的穩(wěn)定性。 先進(jìn)性： 1、原料來源廣泛、合成工藝簡單，操作性強(qiáng)，生產(chǎn)周期短。 2、與碳（石墨）材料和復(fù)合材料雙極板，本雙極板除了具有金屬雙極板強(qiáng)度高、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)外，還具有較大的比能量和比功率。 3、解決了金屬雙極板在PEMFC工作環(huán)境中易腐蝕和鈍化的缺陷

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

2010年獲國家科技立項(xiàng)； 2011年長沙理工大學(xué)獲第四屆全國節(jié)能減排大賽校級“一等獎(jiǎng)”

作品所處階段

中試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

暫無

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品 模型 圖片 錄像 樣品

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

使用說明： 雙極板是PEMFC的一個(gè)多功能的組成部件，除起支撐膜電極和集流導(dǎo)電的作用外，還有導(dǎo)通氣體、排水和傳熱等作用。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢： 1、制備工藝簡單，成本低，耐蝕性、電導(dǎo)性強(qiáng)。 2、制備過程無污染環(huán)境的有毒氣體排放。 3、具有良好的節(jié)能降耗性能和制備工藝的優(yōu)勢。 技術(shù)性說明： 本作品將兩種不同離子交換性及不同氧化還原電位的導(dǎo)電聚合物復(fù)合，制備出具有優(yōu)異性能的質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板，在可移動(dòng)電源等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。 市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測： 我國是電池生產(chǎn)和消費(fèi)大國，2008年全部電池行業(yè)的工業(yè)總產(chǎn)值為122.1億元，在未來的發(fā)展中，質(zhì)子交換膜燃料電池以其獨(dú)有的性能優(yōu)勢必將逐漸占據(jù)電池市場的大部分份額。本項(xiàng)目開發(fā)成本僅相當(dāng)于目前使用的石墨雙極板成本的10%,電池比能量和比功率高，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

同類課題研究水平概述

國內(nèi)外圍繞金屬雙極板表面耐蝕、導(dǎo)電涂層開展了廣泛研究。目前研究的涂層主要包括二類：一是金屬基涂層，如貴金屬涂層、金屬碳化物或氮化物涂層及金屬氧化物涂層。二是碳基涂層，如石墨涂層、類金剛石涂層、導(dǎo)電聚合物涂層。 據(jù)報(bào)道，貴金屬涂層如Au、Ag等盡管作為金屬雙極板的防護(hù)涂層具有優(yōu)異的耐蝕與導(dǎo)電性能，但由于其成本高，難以滿足商業(yè)化要求，故不具實(shí)用價(jià)值。TiN、TiC等金屬陶瓷涂層本身電導(dǎo)率高，同時(shí)也能起到防止基材腐蝕，降低接觸電阻的作用，且不含貴金屬，成本相對較低。但傳統(tǒng)方法如離子鍍等制備的金屬陶瓷涂層本身不致密，存在微孔或微觀缺陷，腐蝕介質(zhì)可以沿這些缺陷滲透到基體合金表面； 目前多采用氣相沉積的方法制備石墨涂層和類金剛石涂層。T.Fukutsuka等通過等離子體化學(xué)氣相沉積方法(PCVD)在304不銹鋼表面沉積碳，在燃料電池雙極板工作環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，涂層顯著提高了合金的耐蝕性能，并明顯降低了接觸電阻。Yoshiyuki等在不同溫度下（室溫~600oC）采用高頻等離子體化學(xué)氣相沉積方法（RE-PECVD）在Ti合金表面制備碳涂層，結(jié)果表明，碳涂層極大地降低了接觸電阻。盡管得到涂層性能較好，但上述方法制備的涂層一般成本較高，也不適用于質(zhì)子交換膜燃料電池的產(chǎn)業(yè)化需求。 近年來，人們嘗試將導(dǎo)電聚合物涂層應(yīng)用于金屬雙極板的表面防護(hù)。張濤等較系統(tǒng)地研究了十二烷基硫酸鈉摻雜的聚吡咯涂層在模擬PEMFC工作環(huán)境中的腐蝕行為。結(jié)果表明，聚吡咯涂層對316不銹鋼有著較好的保護(hù)作用；Joseph等在304不銹鋼表面電化學(xué)合成聚苯胺和聚吡咯涂層。結(jié)果表明，兩種導(dǎo)電聚合物涂層對金屬有著一定的保護(hù)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）后得到的聚合物涂層在PEMFC模擬環(huán)境中的抗腐蝕性能優(yōu)于聚吡咯和聚苯胺涂層，指出這是由于PVA減少了涂層的孔隙，提高了涂層的耐蝕性，但作者并未指出其導(dǎo)電性的變化。為此，在前人工作的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目中發(fā)展了一種聚吡咯/聚苯胺復(fù)合導(dǎo)電涂層，以獲得一種耐蝕性好，接觸電阻低的不銹鋼雙極板。該雙極板在提高電池體積比能量和比功率的同時(shí)，能顯著降低雙極板的成本。
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