[發(fā)明專利]含Mo氮化物表面改性燃料電池不銹鋼雙極板及制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910188059.7
• 申請(qǐng)日: 2009-10-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101694879A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-04-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫俊才;季世軍;李嵩;文鐘晟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M8/02;H01M4/88;B32B5/14;C22C38/58;C22C38/50;C22C38/48;C22C38/44;C22C38/42;C22C38/40;C22C30/00;C22C30/02;C23C8/38
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 高永德

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的不銹鋼雙極板。

背景技術(shù)

固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(包括質(zhì)子交換膜燃料電池和直接醇燃料電池)具有室溫快速啟動(dòng)、高效率、無(wú)電解液流失、零污染、易排水和壽命長(zhǎng)等突出特點(diǎn)。不僅可以用于建設(shè)分散電站，也是一種軍民通用的可移動(dòng)電源。

現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池雙極板有石墨雙極板和金屬雙極板，石墨雙極板現(xiàn)在通常采用柔性石墨制作。石墨雙極板具有良好的導(dǎo)電性和耐蝕性，其不足是因其多孔性，使其氣密性不足，因脆性使其難以加工制作低重量、低體積的電池組。另外，石墨板的成本約占固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池堆成本的60％，體積能量密度和質(zhì)量能量密度較低。金屬雙極板通常采用的材料有鐵基合金、鋁及其鋁合金、鈦及其合金等。金屬材料具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性、導(dǎo)電性和氣密性，是一種制備雙極板的良好材料。采用金屬材料制作固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池雙極板可以提高電池組的質(zhì)量比功率和體積比功率。其不足是：固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的工作環(huán)境中含有SO₄^2-、SO₃^2-、CO₃^2-、HSO₄^-和HSO₃^-等離子。在如此苛刻的環(huán)境中，金屬雙極板不可避免地要受到腐蝕。一方面，腐蝕溶解的金屬離子會(huì)毒化電極的電催化劑和阻塞固體電解質(zhì)膜的質(zhì)子通道，降低催化劑活性和降低電解質(zhì)膜的導(dǎo)電能力；另一方面，在金屬表面形成的鈍化膜導(dǎo)致界面接觸電阻增大，兩方面均降低電池組的性能和功率輸出。為了解決上述問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)是通過(guò)表面改性技術(shù)來(lái)提高金屬雙極板表面導(dǎo)電性和耐蝕性。現(xiàn)已公開(kāi)的技術(shù)僅有關(guān)于在金屬表面涂覆貴金屬、氮化物和氧化物涂層的報(bào)道。貴金屬涂層因其成本高而不適于生產(chǎn)低成本的電池組。氮化物和氧化物涂層采用CVD、PVD、電鍍等方法制備，則因其制備工藝固有的特性限制，會(huì)在涂層中存在難以避免的針孔等缺陷，從而引起涂層點(diǎn)蝕剝落，早期失效。同時(shí)，涂層與基體的結(jié)合力不足亦引起剝落失效。

涉及的相關(guān)專利有：CN?02?155?187.1，2002；CN?1?271?027-A，2001；CN200610046735.3，2006；CN200710051303.6，2007。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種具有優(yōu)良的表面導(dǎo)電性和耐蝕性，低成本、易于制造，能夠滿足固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池發(fā)展和大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用要求的固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池Fe-基金屬雙極板及其制造方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

含Mo氮化物表面改性燃料電池不銹鋼雙極板，包括奧氏體不銹鋼薄板制成的雙極板及其表面改性層，其特征在于所述表面改性層包括表層改性層和次表層合金化擴(kuò)散層，表層改性層為高導(dǎo)電性和耐蝕性的Mo氮化物，次表層合金化擴(kuò)散層為Mo、N的擴(kuò)散固溶體。

本發(fā)明所述的含Mo氮化物表面改性燃料電池不銹鋼雙極板，其特征在于，所述Mo氮化物表層改性層為單相MoN、單相Mo₂N和單相Mo₃N₂中的任意一種或上述相的混合物；所述Mo、N的擴(kuò)散固溶體次表層為Mo的合金固溶體，Mo和N質(zhì)量濃度從緊鄰氮化物表層處的高濃度逐漸降低過(guò)渡到基體的Mo、N含量，所述Mo和N質(zhì)量濃度在緊鄰氮化物表層處的高濃度Mo為10wt％～40wt％，N為0.4wt％～2wt％。

本發(fā)明所述的含Mo氮化物表面改性燃料電池不銹鋼雙極板，其特征在于，所述奧氏體不銹鋼薄板的合金含量按重量百分比，Cr為15-25％，Ni為5-28％，Mo為0-4％，Mn為0～15％，Ti為0～1％，Cu為0～3％，Nb為0-2％，其余為Fe。

本發(fā)明所述的含Mo氮化物表面改性燃料電池不銹鋼雙極板，其特征在于，所述鐵基合金奧氏體不銹鋼薄板的厚度為0.1～3mm，Mo氮化物改性層厚度為1～40μm，Mo、N擴(kuò)散固溶體次表層的厚度為1-50μm。

本發(fā)明所述的含Mo氮化物表面改性燃料電池不銹鋼雙極板的制造方法，包括將奧氏體不銹鋼薄板制備成帶有流體流道和通道的半成品雙極板和對(duì)半成品雙極板的表面改性處理，其特征在于所述對(duì)半成品雙極板的表面改性處理包括以下步驟：