一種氮化增強(qiáng)表面的燃料電池用雙極板及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及增強(qiáng)表面的燃料電池雙極板及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池因其具有高能量轉(zhuǎn)化效率、高功率密度、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而備受各國政府和研宄機(jī)構(gòu)的重視，它被認(rèn)為是一種可緩解資源日益枯竭和環(huán)境污染的高效能源裝置。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有能量轉(zhuǎn)化效率高(40%?60%)、零排放、快速啟動(dòng)和比功率高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是用于車載電源、分布式發(fā)電站和可攜帶電源的理想裝置。隨著質(zhì)子交換膜電池在汽車等交通工具中的應(yīng)用，它作為新一代的能源技術(shù)，會逐漸滲透到社會各行各業(yè)乃至普通家庭。因此，質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展對整個(gè)新能源技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展具有舉足輕重的作用。然而，燃料電池的使用性能和成本問題極大的阻礙了質(zhì)子交換膜電池廣泛的商業(yè)化生產(chǎn)。
[0003]雙極板是質(zhì)子交換膜電池中的多功能關(guān)鍵部件，占質(zhì)子交換膜電池總重量的80%、質(zhì)子交換膜電池總成本的40%?50%，其作用是分隔反應(yīng)氣體、收集電流、將各個(gè)單電池串聯(lián)起來并通過流場為反應(yīng)氣進(jìn)出電極及水的排除提供通道等。為了滿足這些功能，雙極板應(yīng)當(dāng)具有很高的導(dǎo)電性、耐腐蝕性、低密度、高機(jī)械強(qiáng)度、高阻氣能力、低成本和易加工等特性。質(zhì)子交換膜電池的雙極板材料主要有三類:石墨雙極板、金屬雙極板、復(fù)合材料雙極板。石墨經(jīng)高溫處理后導(dǎo)電性好，耐腐蝕，在質(zhì)子交換膜電池發(fā)展初期得到廣泛應(yīng)用，但該類材料加工成本過高，且受限于機(jī)械強(qiáng)度無法實(shí)現(xiàn)薄片化，導(dǎo)致石墨雙極板的體積和重量較大，從而限制了其實(shí)際應(yīng)用。復(fù)合材料雙極板是以碳粉和樹脂為主料經(jīng)過模壓等方法制備而成，成本較低，但在導(dǎo)電性和阻氣能力上仍有待提高。
[0004]金屬是理想的質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板材料，它具有較好的強(qiáng)度和好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，而且儲量豐富，易加工，易于批量生產(chǎn)，且可通過降低厚度來提高功率密度，具有降低雙極板成本的巨大潛力；此外，金屬還可以防止水腔中冷卻劑向電池兩極擴(kuò)散，尤其適用于可低溫啟動(dòng)的燃料電池系統(tǒng)。所以金屬雙極板被認(rèn)為是質(zhì)子交換膜燃料電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必然選擇，但是，金屬雙極板的主要問題是在質(zhì)子交換膜電池環(huán)境下易發(fā)生腐蝕，其后果不僅是使雙極板功能失效，而且還會造成質(zhì)子交換膜的“毒化”，同時(shí)其導(dǎo)電性能也由于表面腐蝕而下降，使輸出功率降低。采用合金化方式可提高金屬的耐蝕性，但往往帶來其導(dǎo)電性的下降；使用一些貴金屬(比如Au、Ag)可兼顧耐蝕性能和導(dǎo)電性，但直接使用貴金屬會帶來材料成本的大幅提升。如何解決耐腐蝕性能和導(dǎo)電性能這對矛盾是制約金屬雙極板廣泛應(yīng)用的瓶頸。除此以外，一般金屬表面都具有天然的親水性，由此而造成雙極板流場的堵塞也是致使雙極板運(yùn)行穩(wěn)定性下降的主要問題之一。
[0005]針對金屬雙極板應(yīng)用上的諸多難題，現(xiàn)有技術(shù)一般采用的是，在對金屬保留基材具有的一般金屬性能基礎(chǔ)上，對其表面進(jìn)行改性處理，近年來，以金屬薄板作為基體材料，采用氣相沉積、離子注入等方法在基底上制備一層耐腐蝕并導(dǎo)電的異質(zhì)涂層成為本領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。目前對于金屬基體進(jìn)行的表面改性涂層主要分為碳基涂層和金屬基涂層兩大類，涉及的工藝或多或少地提高了金屬板的表面性能，但目前這些工藝大多尚不成熟，不能用于實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中，而在其中，在金屬基材上直接沉積碳鉻薄膜的應(yīng)用前景被廣泛看好。
[0006]對于直接沉積碳鉻薄膜的工藝，由于真空技術(shù)本身的缺陷，薄膜一般多孔隙，這引發(fā)應(yīng)用中的問題就是:
[0007]若薄膜厚度過厚，雖然降低了孔隙率，但這第一方面導(dǎo)致了制造成本的升高，另一方面也增大了雙極板的接觸電阻。在燃料電池雙極板產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中并不可取。
[0008]若薄膜厚度過薄，陰極分布的氧通過孔隙擴(kuò)散可以直達(dá)雙極板基體，使其鈍化，使得總體接觸電阻變大，直接導(dǎo)致電池的內(nèi)阻提高，電池的輸出電壓降低而影響使用，并且雙極板的接觸電阻越大，電池運(yùn)行過程中產(chǎn)生的歐姆熱量也越多，這引起的電池溫度升高也會影響電池中催化劑的活性；此外，真空涂層的孔隙缺陷會致使基材暴露在外間環(huán)境中，發(fā)生其作為陽極的電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致涂層過早失效。
[0009]除此以外，現(xiàn)有技術(shù)是在金屬基體上直接涂覆碳鉻薄膜，這樣的處理方式會造成碳鉻薄膜與基體之間的涂層結(jié)合力較小，導(dǎo)致在使用過程中出現(xiàn)薄膜剝離的現(xiàn)象。
[0010]故，目前面臨的主要問題在于，制備燃料電池雙極板碳鉻薄膜時(shí)，如何在保證薄膜厚度較薄的前提下，增強(qiáng)燃料電池雙極板表面薄膜的抗腐蝕能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種耐腐蝕、導(dǎo)電性能好、結(jié)合力高的表面鍍膜的燃料電池用雙極板及其氮化增強(qiáng)表面改性方法。其特點(diǎn)是在傳統(tǒng)電弧離子鍍技術(shù)上引入了離子氮化技術(shù)，在金屬雙極板兩側(cè)表面依次制備了氮化層、氮化鉻薄膜及碳基納米復(fù)合導(dǎo)電薄膜。
[0012]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:一種氮化增強(qiáng)表面的燃料電池用雙極板，包括不銹鋼板或鈦合金板基體，其特征在于:所述不銹鋼板或鈦合金板基體兩側(cè)表面上依次制備有氮化層、氮化鉻薄膜及碳基納米復(fù)合導(dǎo)電薄膜。
[0013]所述氮化層的厚度為0.1 μ m?20 μ m，所述氮化絡(luò)薄膜的厚度為0.1 μ m?20 μ m，所述碳基納米復(fù)合導(dǎo)電薄膜的厚度為0.1 μ m?20 μ m。
[0014]所述氮化鉻薄膜及碳基納米復(fù)合導(dǎo)電薄膜中碳元素、氮元素含量沿垂直于不銹鋼板或鈦合金板基體方向呈梯度連續(xù)分布。
[0015]所述的氮化增強(qiáng)表面的燃料電池用雙極板的制備方法，其特征在于:將不銹鋼板或鈦合金板基體經(jīng)清洗、干燥后置于真空電弧離子鍍設(shè)備內(nèi)，在真空條件下通入氮?dú)饧皻錃?，開啟偏壓和熱絲，制備氮化層；通入氬氣、氮?dú)饣旌蠚怏w，制備氮化鉻薄膜，開啟碳靶，制備碳基納米復(fù)合導(dǎo)電薄膜制備。
[0016]所述的一種氮化增強(qiáng)表面的燃料電池用雙極板的制備方法，其特征在于，所述制備氮化層步驟后且制備氮化鉻薄膜步驟前進(jìn)行以下步驟:通入氬氣，進(jìn)行氬離子濺射清洗和/或進(jìn)行鉻離子濺射清洗。
[0017]所述的一種氮化增強(qiáng)表面的燃料電池用雙極板的制備方法，其特征在于，該方法包括以下具體順序步驟:
[0018](I)氮化層制備
[0019]將不銹鋼板或鈦合金板基體放入超聲清洗設(shè)備中進(jìn)行清洗，并在真空干燥爐中進(jìn)行干燥后，放入脈沖偏壓電弧離子鍍設(shè)備真空室內(nèi)，將真空室內(nèi)真空抽至0.0OlPa?0.05Pa后，將真空室加熱至100?400 °C，通入氮?dú)饧皻錃猓沟谜婵帐覂?nèi)氣壓維持在0.1Pa?3Pa，偏壓設(shè)置為-1000V?-400V，開啟熱絲，開始制備氮化層，完畢后，關(guān)閉氮?dú)饧皻錃?
[0020](2)離子濺射清洗
[0021]關(guān)閉熱絲，將真空室內(nèi)真空抽至0.001?0.05Pa后，向真空室內(nèi)通入氬氣，使真空室內(nèi)氣壓維持在0.1Pa?3Pa，偏壓設(shè)置為-1000V?0，進(jìn)行氬離子濺射清洗，時(shí)間為O?20mins，完畢后，調(diào)整通入氮?dú)獾牧髁?，使真空室?nèi)氣壓維持在0.1Pa?IPa，偏壓設(shè)置為-1000V?0，開啟鉻靶，進(jìn)行鉻離子濺射清洗，時(shí)間為O?5mins ;
[0022](3)沉積氮化鉻薄膜和碳基納米復(fù)合導(dǎo)電薄膜
[0023]通入氬氣與氮?dú)饣旌蠚怏w，使真空壓強(qiáng)維持在0.1Pa?IPa，偏壓設(shè)置為-500V?0，進(jìn)行氮化鉻薄膜制備，完畢后，控制通入的氮?dú)?、氬氣流量，使真空室?nèi)壓強(qiáng)維持在
0