[發(fā)明專利]一種質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010144013.8
• 申請日: 2010-04-09
• 公開（公告）號: CN101800318A
• 公開（公告）日: 2010-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 付宇;潘歡歡;侯中軍;劉常福;明平文
• 申請（專利權(quán)）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(zé)任公司 21212
• 代理人: 高永德

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及燃料電池雙極板制造技術(shù)。

背景技術(shù)

現(xiàn)有技術(shù)中，金屬雙極板的表面都經(jīng)過表面改性處理或由兩種組份組合構(gòu) 成，來滿足雙極板對導(dǎo)電性和耐蝕性的要求。專利號為CN200610125191.X的專 利技術(shù)涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板及其制備方法，雙極板由導(dǎo)電陶瓷 和石墨兩組分混合后經(jīng)熱壓燒結(jié)而成，其不足是該雙極板的力學(xué)性能和導(dǎo)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(shù)涉及三種金屬雙極板表面導(dǎo)電陶瓷改性薄膜的 制備方法，其不足是通常導(dǎo)電陶瓷的導(dǎo)電性難以達(dá)到很高的水平，而且在燃料 電池環(huán)境下的耐腐蝕性能也有待考察。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種質(zhì)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(yōu)良的耐腐蝕性能和導(dǎo)電能力。本發(fā)明的技術(shù)方案 是：一種質(zhì)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(fù)合層。

本發(fā)明所述的一種質(zhì)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(fù)合層是碳、碳化鈦和金屬鈦混合的碳基膜復(fù)合層。

本發(fā)明所述的一種質(zhì)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(fù)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(fā)明所述的一種質(zhì)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(fù)合層的 厚度在0.2～5微米之間。

本發(fā)明所述的一種質(zhì)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(zhì)，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(fù) 合層。

本發(fā)明所述的一種質(zhì)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(fù)合層是在沉積真空室內(nèi)對金屬雙極板 的金屬鈦中間層同時進(jìn)行鈦靶和碳靶反應(yīng)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(fā)明所述的一種質(zhì)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(fù)合層時，伴有碳和鈦的反應(yīng)，生成碳 化鈦。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：雙極板的表面改性層材料以碳為主。碳是PEMFC中 應(yīng)用最廣泛的材料，催化劑載體、擴(kuò)散層和傳統(tǒng)的純石墨雙極板，用的都是碳 材料，碳在PEMFC中的穩(wěn)定性已經(jīng)被廣泛證實(shí)。而且，雙極板表面碳膜與擴(kuò)散 層碳紙為同一材質(zhì)，接觸電阻有望降到非常低的程度。使雙極板具有優(yōu)良的導(dǎo) 電性能，可以顯著降低質(zhì)子交換膜燃料電池的內(nèi)阻，提高電池輸出性能。

其次，表面碳層中的TiC有助于增強(qiáng)碳基膜與鈦中間層間的結(jié)合力。TiC是 在鈦中間層的基礎(chǔ)上，在表面碳膜的沉積過程中通過反應(yīng)生成的。因此TiC與 鈦層間有很好的結(jié)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(qiáng)度高、導(dǎo)熱性良好等優(yōu)異性能。TiC優(yōu)良的導(dǎo)電性和在模擬 PEMFC環(huán)境下的耐腐蝕性能已經(jīng)被證實(shí)。因此，碳基膜中的少量TiC可以顯著 增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的穩(wěn)定性而不影響使用性能。

第三，以具有一定厚度的金屬鈦?zhàn)鳛橹虚g層。鈦本身具有很強(qiáng)的耐強(qiáng)酸和 強(qiáng)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(qiáng)，在鈦表面易生成一層極薄的致密的氧化物 保護(hù)膜，可以抵抗強(qiáng)酸甚至王水的作用，表現(xiàn)出強(qiáng)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(hù)膜，防止腐蝕進(jìn)一步發(fā)生。 具有有多層保護(hù)作用，保護(hù)層可以互相彌補(bǔ)，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(tǒng)的成本，提高整體競 爭力。

附圖說明