[發(fā)明專利]用于質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的高sp2雜化致密碳鍍層及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110235087.7
• 申請日: 2011-08-16
• 公開（公告）號(hào): CN102306804A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡珣;孫海林;李鑄國;馮凱;周丹華
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué);浙江匯錦梯爾鍍層科技有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所 31201
• 代理人: 王毓理

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的鍍層及方法，具體是一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的高sp2(含量為80％-90％)雜化致密碳鍍層及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著全球環(huán)境污染的日益嚴(yán)重、石化能源日趨枯竭，尋找一種能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的新能源成為世界各國面臨的首要緊迫問題。燃料電池因其具有高效、節(jié)能、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而備受各國政府和研究機(jī)構(gòu)的重視。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)，鉑/碳或鉑-釕/碳為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，工作溫度一般在60～100℃的將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。隨著PEMFC在汽車等交通工具中的應(yīng)用，它作為新一代能源技術(shù)，會(huì)逐漸滲透到社會(huì)各行各業(yè)乃至普通家庭。但PEMFC過高的成本限制其大規(guī)模的推廣應(yīng)用。雙極板作為PEMFC關(guān)鍵部件之一，不僅占據(jù)電堆重量的70％-80％，而且在電堆的生產(chǎn)成本中也占據(jù)相當(dāng)大的比例。因此，尋求一種低成本、能夠大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝較簡單的材料與工藝，對于PEMFC燃料電池的進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用推廣具有非常重要的意義。

雙極板在燃料電池中的作用在于作陽極和陰極的集流器，同時(shí)在陽極表面均勻地分配燃料氣體，在陰極表面均勻分配氧氣/空氣。它還必需有冷卻流體通過電堆的通道并保證冷流體和反應(yīng)物氣體分離。因此，雙極板材料要具有良好的耐腐蝕性，導(dǎo)電性，疏水性，隔氣性，機(jī)械性能和低制造成本等特點(diǎn)。石墨材料由于具有優(yōu)秀的電化學(xué)性能和導(dǎo)電性能而被用于燃料電池雙極板。但是加工石墨雙極板流道的成本高，且機(jī)械性能不好，通常石墨雙極板要幾個(gè)毫米厚度，這些缺點(diǎn)十分不利于降低燃料電池的成本和應(yīng)用。而金屬材料由于其較好的機(jī)械性能，氣密性，低成本和容易加工等優(yōu)點(diǎn)正在逐步取代石墨雙極板。但是由于金屬雙極板的電化學(xué)不穩(wěn)定性和表面氧化層的存在，其耐腐蝕和導(dǎo)電性不能夠滿足燃料電池的使用要求。因此，PEMFC金屬雙極板通常需要進(jìn)行表面改性或鍍膜來提高耐腐蝕和表面導(dǎo)電性能。鍍金板和鎳板由于其優(yōu)異的耐腐蝕性能和低的表面接觸電阻而被用于質(zhì)子交換膜燃料電池的金屬雙極板，但是其缺點(diǎn)是成本過高，商業(yè)化生產(chǎn)有很大困難。

在不銹鋼表面沉積耐腐蝕性好，導(dǎo)電性好的碳膜能夠結(jié)合金屬材料和碳材料的優(yōu)點(diǎn)，是一種非常有應(yīng)用前景的方法。但是，由于碳和金屬材料較大的物理性能差異，沉積的碳膜往往結(jié)合性能不好，容易脫層。因此，鍍碳膜需要預(yù)先在金屬材料表面沉積一層過渡層以增強(qiáng)結(jié)合力。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，(Y.Fu?et?al.)在《International?Journal?of?Hydrogen?Energy》(國際氫能)(2009年34期405-409頁)上發(fā)表的(“Carbon-based?films?coated?316L?stainless?steel?as?bipolar?plate?for?proton?exchange?membrane?fuel?cells”)(鍍碳基薄膜的316L不銹鋼用作質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板)中用脈沖偏壓弧離子鍍的方法制備了碳基薄膜，指出C-Cr薄膜(即用Cr作摻雜金屬)的鍍層具有良好的導(dǎo)電性和耐腐蝕性。該研究與本發(fā)明的主要區(qū)別為該專利沉積碳膜無需添加金屬元素，制備的碳膜為純碳元素鍍層。G.V.達(dá)希奇等在發(fā)明專利(申請?zhí)枺?00910164680.X)中指出在雙極板表面沉積一層具有親水性，有過渡催化層和金屬摻雜的無定形碳涂層，該涂層包括親水的活化表面。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的高sp2雜化致密碳鍍層及其制備方法，制備得到具有接觸角大于90度疏水性的碳膜鍍層以利于排水和降低腐蝕概率；無需金屬摻雜原子；無需表面活化處理；微觀結(jié)構(gòu)主要是非晶態(tài)且具有高sp2鍵合的碳結(jié)構(gòu)。本發(fā)明能夠在金屬表面實(shí)現(xiàn)直接沉積且結(jié)合力好，導(dǎo)電性好，疏水性好且耐腐蝕的碳膜，能夠顯著降低雙極板成本。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明涉及一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的高sp2雜化致密碳鍍層，其碳膜直接沉積在雙極板表面且孔隙率小于等于5個(gè)孔/mm²；

所述的碳膜的厚度為5nm-5000nm，并具有高sp2鍵雜化，同時(shí)含有大量無序鍵的結(jié)構(gòu)；

所述的碳膜在典型燃料電池壓力條件下，與碳紙接觸電阻小于20毫歐·cm²的導(dǎo)電性；

所述的碳膜表面具有高于70°的接觸角。

本發(fā)明涉及上述高sp2雜化致密碳鍍層的制備方法，包括以下步驟：