[發明專利]一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板及其制備方法

有效

• 申請號: 201010144013.8
• 申請日: 2010-04-09
• 公開（公告）號: CN101800318A
• 公開（公告）日: 2010-08-11
• 發明（設計）人: 付宇;潘歡歡;侯中軍;劉常福;明平文
• 申請（專利權）人: 新源動力股份有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 高永德

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及燃料電池雙極板制造技術。

背景技術

現有技術中，金屬雙極板的表面都經過表面改性處理或由兩種組份組合構 成，來滿足雙極板對導電性和耐蝕性的要求。專利號為CN200610125191.X的專 利技術涉及一種質子交換膜燃料電池雙極板及其制備方法，雙極板由導電陶瓷 和石墨兩組分混合后經熱壓燒結而成，其不足是該雙極板的力學性能和導電能 力難以和金屬雙極板相比。專利號為CN200810086375.9，CN200810086374.4和 CN200810086373.X的專利技術涉及三種金屬雙極板表面導電陶瓷改性薄膜的 制備方法，其不足是通常導電陶瓷的導電性難以達到很高的水平，而且在燃料 電池環境下的耐腐蝕性能也有待考察。

發明內容

本發明的目的在于提供一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板及其表面改 性方法，使金屬雙極板具有優良的耐腐蝕性能和導電能力。本發明的技術方案 是：一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板，金屬雙極板表面有改性層，其特 征在于所述金屬雙極板表面改性層包括：與金屬基板鄰接的金屬鈦中間層和金 屬鈦中間層上的碳基膜復合層。

本發明所述的一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板，其特征在于所述金 屬鈦中間層上的碳基膜復合層是碳、碳化鈦和金屬鈦混合的碳基膜復合層。

本發明所述的一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板，其特征在于所述金 屬鈦中間層上的碳基膜復合層中，碳元素原子百分比占50％～95％，鈦元素原子 百分比占5％～50％。

本發明所述的一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板，其特征在于所述金 屬鈦中間層的厚度在0.2～5微米之間；所述金屬鈦中間層上的碳基膜復合層的 厚度在0.2～5微米之間。

本發明所述的一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板的制備方法，包括： 對基體金屬薄板表面清理和金屬薄板表面改性處理，對基體金屬薄板表面清理 包括清除基體金屬薄板表面的鈍化膜和雜質，其特征在于所述金屬雙極板表面 改性處理層的處理方法包括用電弧離子鍍和多靶磁控濺射方法，但不限于上述 方法，在金屬薄板表面沉積金屬鈦中間層，再在金屬鈦中間層上沉積碳基膜復 合層。

本發明所述的一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板的制備方法，其特征 在于所述在金屬鈦中間層上沉積碳基膜復合層是在沉積真空室內對金屬雙極板 的金屬鈦中間層同時進行鈦靶和碳靶反應磁控濺射：鈦靶40W功率，0.25KV電 壓，0.20A電流下工作；碳靶80W功率，0.25KV電壓，0.40A電流下工作；時 間30min。

本發明所述的一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板的制備方法，其特征 在于所述在金屬鈦中間層上沉積碳基膜復合層時，伴有碳和鈦的反應，生成碳 化鈦。

本發明具有如下優點：雙極板的表面改性層材料以碳為主。碳是PEMFC中 應用最廣泛的材料，催化劑載體、擴散層和傳統的純石墨雙極板，用的都是碳 材料，碳在PEMFC中的穩定性已經被廣泛證實。而且，雙極板表面碳膜與擴散 層碳紙為同一材質，接觸電阻有望降到非常低的程度。使雙極板具有優良的導 電性能，可以顯著降低質子交換膜燃料電池的內阻，提高電池輸出性能。

其次，表面碳層中的TiC有助于增強碳基膜與鈦中間層間的結合力。TiC是 在鈦中間層的基礎上，在表面碳膜的沉積過程中通過反應生成的。因此TiC與 鈦層間有很好的結合，而且對碳有“鉚釘”作用，使表面碳層不易脫落。TiC具有 耐高溫、抗氧化、強度高、導熱性良好等優異性能。TiC優良的導電性和在模擬 PEMFC環境下的耐腐蝕性能已經被證實。因此，碳基膜中的少量TiC可以顯著 增強復合結構薄膜的穩定性而不影響使用性能。

第三，以具有一定厚度的金屬鈦作為中間層。鈦本身具有很強的耐強酸和 強堿腐蝕的能力。研究表明，采用耐腐蝕的中間層材料可以提高整個雙極板的 耐腐蝕性能。鈦奪取氧的能力很強，在鈦表面易生成一層極薄的致密的氧化物 保護膜，可以抵抗強酸甚至王水的作用，表現出強的抗腐蝕性。因此，即使表 層碳基薄膜受到破壞，露出的鈦也會自然生成保護膜，防止腐蝕進一步發生。 具有有多層保護作用，保護層可以互相彌補，從而顯著延長雙極板的使用壽命。

第四，材料成本低廉，有助于降低整個燃料電池系統的成本，提高整體競 爭力。

附圖說明