[发明专利]一种应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件及其制备方法。

背景技术

燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的一种化学反应装置。由于燃料电池没有热机的卡洛循环过程，其能量转化效率非常高，可以采用氢、醇类、固体金属等作为燃料，燃料来源广泛，应用方便。和热发电或燃油发电机相比，具有较高的环保性、静音性，而且燃料电池系统可以像发电机一样高度集成，应用于移动电源领域，具有广阔的应用前景。

和普通电池一样，燃料电池系统运行过程中，需要将每个单电池负极燃料氧化反应产生的电子通过导电体汇集引出，再通过外电路连接电池正极导电体导入正极氧化剂反应区域，使得电子和氧化剂及从电池负极迁移过来的离子复合还原。多节单电池组成的燃料电池系统，需要将每节电池的正负极导电体相连，以获得较高的电池电压。从导电体工作环境上看，正负极导电体直接沉浸在燃料或氧化剂氛围内，如果采用液体电解质，导电体更是被具有腐蚀性的电解质沉浸，同时电池产生的电场使得导电体处于一种极易构成电化学反应的体系下，所以导电体要求有很高的抗化学腐蚀和电化学腐蚀的特性；从导电体功能上看，导电体汇集负极区域电子，同时向正极区域注入电子，其与正负极反应区域的连接电阻的大小对电池性能至关重要，所以导电体材料要求有高的电导率和低的表面接触电阻；从导电体结构上看，在采用气体或液体作为燃料的电池中导电体既起到导电的作用，又要作为燃料和氧化剂分配场所和隔离器，一般都是在导电体上，制造出可以流动燃料和氧化剂的微型曲折流道实现，所以导电体要有很好的加工成型特性。在燃料电池系统中，单电池往往达到几十节甚至上百节，导电体占据了电池系统重量和体积的很大比例，所以对导电体还提出了轻质化、薄型化的要求。

目前，应用于燃料电池系统的导电体一般是由耐腐蚀金属或碳材料构成。耐腐蚀金属一般都是不锈钢系列或由其改性得到，如316L、901等，机加工特性及成型性好，但其制作的导电体重量重、表面接触电阻大。一般需要采用表面镀层，降低面接触电阻和减弱腐蚀，由于镀层存在大量微孔及不耐腐蚀的中间过渡层，长期工作腐蚀依然严重，并且成本高；碳材料在燃料电池环境中，具有很好的耐腐蚀性和低的面接触电阻，并且质量轻，但碳材料体电导率和金属相比还是低很多，并且碳材料具有硬度高而脆特性，加工困难、成型性差，在外力冲击下易断裂，电池可靠性难以保证。

综合来看，目前应用于各类燃料电池的导电体都很难兼顾高电导率、低面接触电阻、高强度、易成型、耐腐蚀、低成本等特性。因此，还不能完全满足使用需求。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件，使其兼具碳材料和金属材料的双重特性，以期实现燃料电池导电体兼顾高电导率、低面接触电阻、高强度、易成型、耐腐蚀、低成本。本发明的另一目的是提供一种制备上述应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件的方法。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件，包括金属芯片，在所述的金属芯片上设有纳米碳纤维保护层。

所述的纳米碳纤维保护层的成分由纳米碳纤维和高分子树脂组成，其中，纳米碳纤维占纳米碳纤维保护层重50~90%。

所述的高分子树脂为环氧类树脂、PTFE聚四氟乙烯或PVDF聚偏氟乙烯。

所述的金属芯片选自不锈钢芯片、铜芯片、钛合金芯片、铝芯片或镁铝合金芯片。

所述的纳米碳纤维保护层，厚度为0.05mm~2mm。

一种制备应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件的方法：先将纳米碳纤维与高分子树脂高速搅拌制成膏状体，再将金属芯片放入模具，利用螺杆挤出机注入膏状体，注射成型；脱模后，真空烧结成型即可。

一种制备应用于燃料电池的具有纳米碳纤维保护层的金属构件的方法：先将纳米碳纤维、高分子树脂及溶剂配成浆液，接着在金属芯片表面超声喷涂成型，最后再真空烧结，即可。