本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域中不銹鋼雙極板表面改性方法。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)是一種清潔的能量轉(zhuǎn)換裝置，將儲存在氫氣和氧氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)物只有水。質(zhì)子交換膜燃料電池因?yàn)槠洵h(huán)境友好性、高的能量轉(zhuǎn)化效率和快速啟動性能等特點(diǎn)而備受關(guān)注。此外，其在汽車工業(yè)、備用應(yīng)急電源、分散電站及軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵部件之一，具有連接單池、支撐電堆、提供氣體流場、收集電流、散熱、排水等作用，因此，要求作為雙極板的材料應(yīng)該具有機(jī)械強(qiáng)度高、滲氣率低、電導(dǎo)率高、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕、與碳紙之間的接觸電阻低、低成本等性質(zhì)。

在移動式應(yīng)用方面，要求pemfc電堆具有較高的質(zhì)量比功率和體積比功率，但在傳統(tǒng)pemfc電堆中，石墨為制作雙極板的主要材料，由于石墨氣密性不佳、機(jī)械強(qiáng)度低、脆性大等問題，造成傳統(tǒng)雙極板厚度大、質(zhì)量重、不耐機(jī)械震動、加工難度大、成本高，使得石墨在移動式應(yīng)用中受限。金屬具有較高的電導(dǎo)率、較好的機(jī)械強(qiáng)度、透氣率低、導(dǎo)熱性好、成本低、可進(jìn)行沖壓加工等特點(diǎn)，是制作雙極板的潛在材料之一，但不銹鋼等金屬表面存在幾納米厚的氧化鈍化膜，使得金屬與碳紙間的接觸電阻過大，進(jìn)而造成電池內(nèi)部較大的歐姆阻抗，這將顯著降低不銹鋼等金屬作為雙極板時，電堆的輸出性能。因此，不銹鋼等金屬制作的雙極板表面必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男蕴幚怼Ｄ壳昂芏嘌芯空咴诨w不銹鋼表面沉積tin鍍層，這顯著降低了不銹鋼與碳紙之間的接觸電阻，但tin鍍層穩(wěn)定性較差。ho-youngjung在鈦板表面制備了1μm的金鍍層，阻止了鈍化層的形成，電池性能較好，但是金的價格昂貴，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。b.yang通過熱氮化在不銹鋼表面制備了cr的氮化物，但膜不連續(xù)，對基體的保護(hù)性較差。在金屬雙極板表面制備致密、耐腐蝕、導(dǎo)電性好并且與碳紙間接觸電阻小的改性涂層，則可以提高基體金屬的耐蝕性，降低質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的內(nèi)阻，提高電堆輸出性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面改性技術(shù)的不足，提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板的表面涂層結(jié)構(gòu)的制備方法，在降低極板與碳紙之間接觸電阻的同時，提高其耐腐蝕性，滿足質(zhì)子交換燃料電池高質(zhì)量比功率和高體積比功率的發(fā)展要求。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：不銹鋼基材經(jīng)機(jī)械打磨后，進(jìn)行超聲清 洗，然后在基材表面通過離子鍍方法沉積由基層、中間層和最外層組成的多層涂層結(jié)構(gòu)的改性層，獲得表面改性的燃料電池不銹鋼雙極板。

所述不銹鋼基材，其厚度為0.05mm～1mm。

所述機(jī)械打磨，其所用砂紙為600目～2500目。

所述基層，其為ti、ni、cu、au、ag中的一種或二種以上。

所述中間層，其為cr、al、v、co、pt中的一種或二種以上。

所述最外層，其為cr、ti、ni、al、v中的一種或多種的氮化物。

所述離子鍍，其真空度為1×10^-2pa～10pa。

所述離子鍍，其沉積電流為20a～120a。

所述離子鍍，其沉積時間總共為10min～200min。

所述基層、中間層和最外層，其厚度分別在10nm～1μm、10nm～1μm和100nm～30μm之間。

本發(fā)明選擇的不銹鋼厚度為0.05mm～1mm，由于不銹鋼的機(jī)械加工性能較好，用此種方法改性的雙極板可采用較成熟的金屬板加工工藝進(jìn)行流場等部件的加工。基層金屬具有較好的耐局部腐蝕能力，起到阻隔局部腐蝕的作用。中間層金屬與最外層所用金屬晶格常數(shù)相近，能有效緩解涂層的應(yīng)力，提高最外層的耐久性。最外層具有電阻率低、耐腐蝕、與碳紙之間接觸電阻小等特性。150牛頓每平方厘米壓緊力下，316l不銹鋼的接觸電阻為421毫歐姆平方厘米，而改性樣品的接觸電阻可降低到4.2毫歐姆平方厘米。0.5摩爾每升硫酸溶液中，316l不銹鋼的腐蝕電流為177.8微安每平方厘米，而改性樣品的腐蝕電流為0.18微安每平方厘米。改性層顯著降低了不銹鋼與碳紙間的接觸電阻和腐蝕電流。此外，改性層價格較低而且易得，適合大規(guī)模應(yīng)用，可降低質(zhì)子交換膜燃料電池的成本。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1表面改性樣品和316l不銹鋼與碳紙之間接觸電阻隨壓力變化的示意圖。

圖2是實(shí)施例1表面改性樣品和316l不銹鋼在0.5摩爾每升硫酸溶液中的極化曲線示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的掃描電子顯微鏡圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。

實(shí)施例1：

取0.1mm厚的316l不銹鋼板，裁剪為100mm×150mm的基材，用600目～2000目砂紙逐級打磨；用丙酮和水超聲清洗30min；抽真空至1×10^-3pa～1×10^-2pa，充入氬氣調(diào)節(jié)壓力為0.8pa～1.2pa之間，沉積ti基層，電流60a，時間10min。關(guān)閉ti靶，開啟cr靶，沉積中間層，電流60a，時間10min。通入氮?dú)?，調(diào)整壓力為1pa～1.5pa之間，沉積最外層，靶電流60a，時間40min。 實(shí)施例2：

取0.5mm厚的316l不銹鋼板，裁剪為100mm×150mm的基材，用600目～2000目砂紙逐級打磨；用丙酮和水超聲清洗30min；抽真空至3×10^-3pa～7×10^-3pa，充入氬氣調(diào)節(jié)壓力為0.8pa～1.1pa之間，沉積cu基層，電流70a，時間15min。關(guān)閉cu靶，開啟v靶，沉積中間層，電流70a，時間10min。關(guān)閉v靶，通入氮?dú)庹{(diào)整壓力為1pa～1.3pa之間，開啟ti靶，沉積最外層，電流65a，時間35min。

實(shí)施例3：

取1mm厚的316l不銹鋼板，裁剪為100mm×150mm的基材，用600目～2000目砂紙逐級打磨；用丙酮和水超聲清洗30min；抽真空至5×10^-3pa～9×10^-3pa，充入氬氣調(diào)節(jié)壓力為1.5pa～1.9pa之間，沉積ag過渡層，電流60a，時間15min。關(guān)閉ag靶，開啟al靶，沉積中間層，電流100a，時間10min。關(guān)閉al靶，通入氮?dú)庹{(diào)整壓力為1.6pa～1.9pa之間，開啟v靶，沉積最外層，電流100a，時間30min。

本發(fā)明工藝參數(shù)上下限取值都可能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域中一種金屬雙極板表面新型改性方法。這種改性雙極板由基體不銹鋼和表面改性層兩部分組成，改性層通過離子鍍方法沉積于基體不銹鋼表面，并分為基層、中間層和最外層三部分。本發(fā)明能夠提高基體不銹鋼的耐腐蝕性能，降低雙極板與擴(kuò)散層材料(碳紙)的接觸電阻，能用沖壓等方式對其進(jìn)行加工，用其組裝的電堆質(zhì)量比功率和體積比功率得到提高。

技術(shù)研發(fā)人員：侯明;王勝利;趙卿;洪紹景;姜永燚;王禛;邵志剛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：2016.03.01
技術(shù)公布日：2017.09.08