[發(fā)明專利]一種燃料電池用雙極板及其表面氮鎳鉻薄膜制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810086375.9
• 申請日: 2008-03-25
• 公開（公告）號: CN101257119A
• 公開（公告）日: 2008-09-03
• 發(fā)明（設計）人: 林國強;吳博;吳愛民;夏元化;潘學民;王存山
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/02;H01M4/88;C23C14/34;C23C14/38;C23C14/06
• 代理公司: 大連八方知識產(chǎn)權代理有限公司
• 代理人: 衛(wèi)茂才

技術領域

本發(fā)明屬于燃料電池技術領域，涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池用的雙極板及其制備技術。

背景技術

燃料電池(Fuel?Cell)能將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，其轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、可靠性強，被認為是21世紀首選的高效的可持續(xù)發(fā)電技術。在各類燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton?Exchange?MembraneFuel?Cell，PEMFC)具有啟動快、壽命長、比功率高等優(yōu)點，除適用于地面發(fā)電站以外，還特別適合用于可移動動力源和各種便攜電源，是電動車和其它交通工具甚至是武器載運的理想電源之一，因此質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展對整個新能源技術領域的發(fā)展具有舉足輕重的作用。

雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池的主要部件，占電池重量的70％以上，在電池總成本中也占接近一半，其作用是分隔反應氣體、收集電流、將各個單電池串聯(lián)起來并通過流場為反應氣進出電極及水的排出提供通道等。為了滿足這些功能，雙極板應當具有很高的導電性、耐腐蝕性、低密度、高機械強度、高阻氣能力、低成本和易加工等特性。質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板材料主要有三類：石墨類雙極板、金屬雙極板和復合材料雙極板。石墨經(jīng)高溫處理后導電性好、耐腐蝕，在質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展初期得到廣泛應用。但該類材料加工成本過高，且無法實現(xiàn)薄片化，無法實現(xiàn)商品化應用。以碳粉和樹脂為主料，經(jīng)模壓等方法可大批量制備出低成本的雙極板材料，但導電性和阻氣能力有待提高。

金屬是理想的質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板材料，它具有高的強度和好的導電、導熱性能，而且儲量豐富，易加工，適于批量生產(chǎn)，可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的擴散，尤其適用于可低溫啟動的燃料電池系統(tǒng)。所以金屬被認為是質(zhì)子交換膜燃料電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必然選擇。但是，金屬的主要問題是在質(zhì)子交換膜燃料電池環(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”，同時其導電性能也由于表面腐蝕而下降，使輸出功率迅速降低；通過合金化等方式可提高金屬的耐蝕性，但往往又帶來了其導電性的降低，一般情況下材料耐腐蝕能力和導電性能是矛盾的兩方面，當材料的耐蝕能力強時(如某些金屬氧化物等)，其導電能力就比較差，而導電能力好的材料，其腐蝕過程就比較活躍，亦即在同一材料中不易兼得導電和耐蝕性能；一些貴金屬(比如金、銀等)可一定程度緩解這種矛盾，但直接使用貴金屬會帶來材料成本的大大提高。此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行穩(wěn)定性下降的主要問題之一。

對金屬在保留基材具有一般的金屬性能基礎上，再對其表面進行改性處理是解決問題的有效手段。因此，近年來通過金屬改性提高金屬雙極板耐腐蝕性能和導電能力的研究成為本領域的熱點，國內(nèi)外多家研究所、各大汽車公司，都在開展相關工作。如美國Oak?Ridge國家實驗室通過基體材料選擇，發(fā)現(xiàn)鎳鉻合金性能較好，然后對鎳鉻合金進行高溫氮化處理，在PEMFC環(huán)境下表現(xiàn)出良好的導電能力和耐腐蝕性能，但是還是存在材料成本偏高及工藝復雜、處理能耗過大等問題。

用不銹鋼代替稀缺金屬及其合金作為雙極板具有低成本的優(yōu)勢，但不銹鋼表面固有存在著一層鈍化膜，雖然對提高耐蝕性能起到積極作用，但卻大大增加了雙極板的接觸電阻，以至于電池在運行過程中發(fā)熱、功率降低和腐蝕加速，所以不銹鋼若用作雙極板必須要進行表面改性處理。ZL200410082726.0用電化學合成技術在不銹鋼表面電聚合導電聚合物膜，在耐蝕性能提高方面取得了很好的效果，但在降低接觸電阻方面還有待提高；ZL200510119646.2用化學酸洗法去除不銹鋼表面的鈍化膜，用熱處理的方法提高不銹鋼表面的鉻含量再輔以滲銀工藝來提高雙極板的導電性，其有益效果是較未處理不銹鋼的接觸電阻降低了一個數(shù)量級，而后又采用鈍化技術對不導電部分進行鈍化來提高耐蝕性能，在一定程度上解決了耐蝕和導電性之間的矛盾問題。

目前，如何進一步提高雙極板的導電性能和耐蝕能力以及其它相關性能，是質(zhì)子交換膜燃料電池領域所面臨的急待解決的共性問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種低成本的、原材料耗量低的、高質(zhì)量的、易于批量生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板及其表面氮鎳鉻薄膜制備方法。采用本發(fā)明的結構和方法制備的雙極板，同時具有高指標的耐蝕、導電、強化和疏水等復合性能，滿足在質(zhì)子交換膜燃料電池中的長時運行要求。