一种双极板及其制备方法、电解小室和电解槽与流程

本申请属于电解水制氢，尤其涉及一种双极板及其制备方法、电解小室和电解槽。

背景技术：

1、pem电解槽中双极板是电解水制氢的重要部件，作为膜电极和气体扩散层的支撑部件，发挥汇流液体/气体及传导电子的作用，双极板的阴阳极两侧分别汇流阴极侧的氢气和阳极侧的水氧混合体，并将它们输出，因此双极板需要具备较高的机械稳定性、耐腐蚀性和低氢渗透性；阳极产生的电子经由阳极侧双极板进入外部电路，再通过阴极侧双极板进入阴极催化层，因此双极板还需要具备较高的导电性，而且pem电解槽中阳极电位高，对双极板的耐腐蚀性要求更高；同时，pem电解槽中双极板占据pem电解槽中较高的成本，因此，提高双极板的导电性和耐腐蚀性等性能有利于延长pem电解槽的服役寿命，降本增效，降低制氢成本。

2、为满足双极板的导电性和耐腐蚀性等性能的要求，目前通常采用铝，镍，钛及不锈钢等金属材料作为双极板的基材，然后在其表面覆盖一层耐腐蚀导电材料涂层，制备得到包括双极板基材和耐腐蚀涂层的双极板；然而目前制备得到的用于pem电解槽的双极板中基材和导电材料的成分差异较大，涂层与基体之间会存在较大的内应力，容易产生裂纹甚至涂层脱落，双极板的服役寿命下降。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供了一种双极板及其制备方法、电解小室和电解槽，用于解决现有技术中耐腐蚀导电材料涂层容易脱落，造成双极板服役寿命较短的技术问题。

2、本申请第一方面提供了一种双极板，包括不锈钢双极板基材、依次形成于所述不锈钢基材表面的铁合金基底层、含有铁合金元素和贵金属元素的过渡层以及贵金属表面层。

3、优选的，所述贵金属表面层选自与过渡层中贵金属元素部分相同组成的贵金属表面层。

4、优选的，所述铁合金基底层的元素组成包括铁、镍以及钴；

5、所述含有铁合金元素和贵金属元素的过渡层的元素组成包括铁、镍、钴、钛以及铂；

6、所述贵金属表面层的元素组成包括钛以及铂。

7、优选的，所述铁合金基底层、过渡层以及贵金属表面层中元素还包括锰、钼、铬、钨或金。

8、优选的，所述铁合金基底层的组成包括68～75wt％铁、17～21wt％镍以及8～11wt％钴；

9、所述含有铁合金元素和贵金属元素的过渡层的组成包括10～18wt％铁、25～40wt％镍、13～20wt％钴、10～25wt％钛以及18～30wt％铂；

10、所述贵金属表面层的组成包括40～55wt％钛以及45～60wt％铂。

11、优选的，所述铁合金基底层的厚度为20～30μm；

12、所述含有铁合金元素和贵金属元素的过渡层的厚度为10～15μm；

13、所述贵金属表面层的厚度为10～15μm。

14、本申请第二方面提供了一种双极板的制备方法，包括步骤：

15、步骤s1、将铁合金粉末覆置于经过预处理的不锈钢基材的表面，采用激光熔覆制备形成具有铁合金基底层的不锈钢双极板；

16、步骤s2、将含有铁合金元素和贵金属元素的合金粉末覆置于所述步骤s1中得到的铁合金基底层的表面，采用激光熔覆制备形成具有过渡层、铁合金基底层的不锈钢双极板；

17、步骤s3、将含有贵金属合金粉末覆置于所述步骤s2中形成的过渡层的表面，采用激光熔覆制备形成具有贵金属表面层、过渡层、铁合金基底层的不锈钢双极板。

18、优选的，所述步骤s1、步骤s2以及步骤s3中，所述激光熔覆的惰性保护气氛为氮气、氩气、氦气中的任意一种；

19、惰性保护气氛的流速为10～20l/min。

20、优选的，步骤s1中，所述激光熔覆的激光功率为1500w～1700w，扫描速度2～5mm/s、光斑直径2～5mm；

21、步骤s2中，所述激光熔覆的激光功率为1700w～1800w，扫描速度2～5mm/s、光斑直径2～5mm；

22、步骤s3中，所述激光熔覆的激光功率为1800w～2000w，扫描速度2～5mm/s、光斑直径2～5mm。

23、优选的，步骤s1中，所述铁、镍以及钴的球形度ψ≥85％，松装密度≥4.20g/cm3，振实密度≥5.20g/cm3，粒度分布为20～180μm，d50在50～80μm，d97在130～160μm；

24、步骤s2中，所述铁、镍、钴、钛以及铂的球形度ψ≥85％，松装密度≥4.20g/cm3，振实密度≥5.20g/cm3，粒度分布为20～180μm，d50在50～80μm，d97在130～160μm；

25、步骤s3中，所述钛以及铂的球形度ψ≥85％，松装密度≥4.20g/cm3，振实密度≥5.20g/cm3，粒度分布为20～180μm，d50在50～80μm，d97在130～160μm。

26、本申请第三方面提供了一种电解小室，包括依次层叠设置的阴极板、阴极扩散层组件、膜电极、阳极扩散层组件以及阳极板；

27、所述阳极板、阴极板为权利要求1-5任一项所述的一种双极板。

28、本申请第四方面提供了一种电解槽，包括第一方面所述的至少两个电解小室。

29、综上所述，本申请提供了一种双极板及其制备方法、电解小室和电解槽，本申请提供的双极板，包括不锈钢双极板基材、铁合金基底层、含有铁合金元素和贵金属元素的过渡层以及贵金属表面层；其中，不锈钢双极板基材与铁合金基底层、铁合金基底层与含有铁合金元素和贵金属元素的过渡层以及过渡层与贵金属表面层之间金属元素组分相近，热膨胀系数差异小，内应力低，涂层致密度高，且含有铁合金元素和贵金属元素的过渡层不仅改善了铁合金基底层和过渡层因成分相差过大而引发的涂层开裂的问题，同时还防止贵金属表面层的贵金属被其他涂层稀释；通过采用激光熔覆依次制备各个涂层，可使涂层在激光二次熔覆时，前一次的熔覆涂层会发生重结晶，细化组织，多次熔覆使得涂层表面更加均匀平整，提高了涂层质量和耐蚀性能，得到的双极板涂层组织致密，与不锈钢基材结合良好，延长双极板服役寿命。

技术特征：

1.一种双极板，其特征在于，包括不锈钢基材、依次形成于所述不锈钢基材表面的铁合金基底层、含有铁合金元素和贵金属元素的过渡层以及贵金属表面层。

2.根据权利要求1所述的一种双极板，其特征在于，所述铁合金基底层的元素组成包括铁、镍以及钴；

3.根据权利要求1所述的一种双极板，其特征在于，所述铁合金基底层的组成包括68～75wt％铁、17～21wt％镍以及8～11wt％钴；

4.根据权利要求1所述的一种双极板，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的一种双极板，其特征在于，所述铁合金基底层、过渡层以及贵金属表面层中的元素还包括锰、钼、铬、钨或金。

6.权利要求1-5任一项所述的一种双极板的制备方法，其特征在于，包括步骤：

7.根据权利要求6所述的一种双极板的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述激光熔覆的激光功率为1500w～1700w，扫描速度2～5mm/s、光斑直径2～5mm；

8.根据权利要求6所述的一种双极板的制备方法，其特征在于，所述合金粉末的球形度ψ≥85％，粒度分布为20～180μm。

9.一种电解小室，其特征在于，包括依次层叠设置的阴极板、阴极扩散层组件、膜电极、阳极扩散层组件以及阳极板；

10.一种电解槽，其特征在于，包括权利要求9所述的至少两个电解小室。

技术总结
本申请属于电解水制氢技术领域，尤其涉及一种双极板及其制备方法、电解小室和电解槽；本申请提供的双极板，采用不锈钢为基材，在基材表面依次形成铁合金基底层、含有铁合金元素和贵金属元素的过渡层以及贵金属表面层，组成了一个具有三层涂层结构的双极板。该双极板基材与涂层、涂层与涂层之间成分近似，涂层致密度高，耐腐蚀性强，与基材结合良好，改善了双极板使用过程中涂层脱落的现象。

技术研发人员：李思远,余瑞兴,何先成,常野
受保护的技术使用者：广东卡沃罗氢科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19