[發明專利]鉻碳化物改性鐵基金屬雙極板及其制備方法

有效

• 申請號: 201210119210.3
• 申請日: 2012-04-20
• 公開（公告）號: CN102637880A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 田如錦
• 申請（專利權）人: 大連交通大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/02;C22C38/04;C23C12/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 趙淑梅

技術領域

本發明屬于燃料電池電極技術領域。特別涉及聚合物電解質膜燃料電池的金屬雙極板及其制備方法。

背景技術

除了具有能量轉化效率高、壽命長、環境友好等特點，聚合物電解質燃料電池因其工作溫度低、啟動快而成為應用于交通運輸和建設分散電站的動力源，是一種軍民通用的可移動電源。然而，高成本、重量和體積等因素在很大程度上限制阻礙了聚合物電解質燃料電池的大規模商業化應用。因此，降低成本已經成為各國政府和研究者的關注熱點。

作為聚合物電解質燃料電池中重要的多功能組件之一，雙極板不僅具有分隔反應氣體、集流導電、支撐膜電極和導熱作用，還能與流場板結合為反應氣體提供通道，使反應氣體分布均勻，并將生成的水排出。由于低的表面接觸電阻和良好的耐腐蝕性能，石墨被認為是標準的聚合物電解質燃料電池雙極板材料。傳統的石墨因脆性大強度低難以制備低重量低體積的燃料電池組，而且在表面機加工各種流場的工藝耗時且費用高。從而導致石墨板的成本約占質子交換膜燃料電池成本的80％。具有良好的強韌性、導電性和氣密性的金屬材料代替石墨是十分有潛力的。金屬不僅可以加工成厚度為0.1～0.3mm的薄板，還可以通過機械加工和沖壓的方法加工成各種流場板，適合于批量生產，進而大幅度提高聚合物電解質燃料電池的質量比功率和體積比功率。目前采用的金屬雙極板材料有鐵基合金、鎳基合金和鋁、鈦及其合金等。

聚合物電解質膜燃料電池的工作環境中含有SO₄^2-、SO₃^2-、CO₃^2-、HSO₄^-和HSO₃^-等離子，這與質子交換膜的部分降解和電極的制備工藝有關。因此，金屬雙極板在如此苛刻的環境中不可避免地要發生電化學腐蝕。金屬雙極板表面生成的鈍化的氧化物層除了抑制了金屬的進一步腐蝕，同時也導致了不合要求的高表面接觸電阻。這勢必會引起一些電能的消耗和燃料電池組總效率的降低，從而降低電池組的性能和功率輸出。為此，通過表面改性技術來提高其表面導電性和耐蝕性對金屬雙極板的制備和生產具有重要的意義，也必將對聚合物電解質膜燃料電池的發展和廣泛應用產生深遠的影響。貴金屬涂層因其成本高而不適于生產低成本的電池組。采用物理氣相沉積、化學氣相沉積和電鍍等不同的方法制備的氮化物和氧化物涂層則因其制備工藝的限制而生成難以避免的微孔和微裂紋等缺陷會因為局部腐蝕而剝落，從而引起聚合物電解質膜燃料電池的使用壽命降低。因此，通過一種新的表面改性方法發展低成本、高表面導電性和良好耐蝕性的金屬雙極板是聚合物電解質膜燃料電池的必然趨勢，也必將對聚合物電解質膜燃料電池的商業化進程產生重要的影響。

發明內容

本發明的目的在于提供一種低成本的具有優良的導電性、耐蝕性、易于生產加工且能夠滿足聚合物電解質燃料電池運行要求和大規模市場應用要求的聚合物電解質膜燃料電池金屬雙極板及其制備方法。

為了能夠達到上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種鉻碳化物改性鐵基合金金屬雙極板，其特征在于：基體為鐵基合金金屬板，其厚度為0.1～3.0mm，其合金化學成分為C≤0.50％，0.17～0.37％Si，0.35～0.80％Mn，Cr≤0.25％，Ni≤0.30％，Cu≤0.25％，P＜0.35％，S≤0.04％；所述基體表面為高導電性和耐蝕性的鉻碳化物擴散層，擴散層厚度為1～30μm，腐蝕速度低于10μA/cm²；當壓力為150～200N/cm²，接觸電阻為10～20mΩ·cm²；

所述鉻碳化物為Cr₃C₂和/或Cr₇C₃和/或Cr₂₃C₆。

上述鉻碳化物改性鐵基合金金屬雙極板的制備方法，基體表面改性工藝分為兩步：

(1)爐內滲碳溫度為800～1000℃，保溫階段輝光電壓為100V～800V，電流密度為0.5～20mA/cm²，真空度為50Pa～1330Pa，滲碳時間為2～8h，反應氣體為甲烷或乙炔或丙烷；

(2)熱反應沉積與擴散溫度為500～1000℃，等溫擴散時間為0.5～48h；擴散所需Cr來源于Cr-Fe粉末。

本發明具有顯著的特點和突出的優點：