[發(fā)明專利]表面鍍層的燃料電池金屬雙極板及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210186790.8
• 申請日: 2012-06-07
• 公開（公告）號: CN102723499A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮凱;李鑄國;蔡珣
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 上海旭誠知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種燃料電池雙極板，特別涉及一種表面鍍層的燃料電池雙極板及其制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池因其具有高能量轉(zhuǎn)化效、高功率密度、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，它被認(rèn)為是一種可緩解資源日益枯竭和環(huán)境污染的高效能源裝置。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有能量轉(zhuǎn)化率高(40%~60%)、零排放、快速啟動(dòng)和比功率高等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是用于車載能源、分布式發(fā)電站和可攜帶電源的理想裝置。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。然而，燃料電池的使用性能和成本問題極大的阻礙了PEMFC廣泛的商業(yè)化生產(chǎn)。

雙極板是PEMFC中的多功能關(guān)鍵部件，它占PEMFC總重量的80%、幾乎全部的體積、PEMFC總成本的10%、材料成本的20%。雙極板的功能有支撐膜電極組、收集電流、導(dǎo)通氣體和排水等作用。因此，要求雙極板材料具有一定的強(qiáng)度、較好的韌性、氣體不透過性、較好的表面導(dǎo)電性能和耐腐蝕性能。目前，用于雙極板的材料主要包括石墨、金屬和炭基復(fù)合材料。金屬材料由于高強(qiáng)度、易成型和較好的導(dǎo)熱性能，在降低燃料電池體積功率比和提高功率密度等方面比其他材料具有明顯的優(yōu)勢。但是，金屬材料的耐腐蝕性能和表面導(dǎo)電性能還不能滿足其作為燃料電池雙極板的性能要求。

針對金屬雙極板在燃料電池工作環(huán)境中耐腐蝕性能和表面導(dǎo)電性能不足的問題，采用一定方法在金屬雙極板表面制備低成本、高導(dǎo)電、耐腐蝕鍍層材料以提高其性能和壽命是一種可行的思路。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405ˉ409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。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。任麗斌等在發(fā)明專利(申請?zhí)枺?00610129486.4)中提出了采用氮化鉻鍍層作為金屬雙極板的防護(hù)鍍層，該鍍層具有較好的導(dǎo)電、耐腐蝕、抗氧化和耐高溫的特性。盡管上述三種方法利用物理氣相沉積(PVD)在金屬雙極板上沉積鍍層可以提高雙極板的耐腐蝕性能和表面導(dǎo)電性能，但是由于PVD技術(shù)的固有缺點(diǎn)，沉積的薄膜通常呈柱狀生長，極易產(chǎn)生通孔從而降低耐腐蝕性能。同時(shí)，沉積薄膜(尤其是碳膜)與金屬基體間存在較大的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致鍍層較易剝落。大連化物所的Zhang等在《Journal?of?Power?Sources》(能源雜志)(2011年196期3249ˉ3254頁)上發(fā)表的(“Arc?ion?plated?Cr/CrN/Cr?multilayers?on?316L?stainless?steel?asbipolar?plates?for?polymer?electrolyte?membrane?fuel?cells”)采用弧離子鍍技術(shù)在316L不銹鋼表面沉積了Cr/CrN/Cr多層膜，結(jié)果表明Cr/CrN/Cr多層膜提高了不銹鋼的耐腐蝕性能和表面導(dǎo)電性能。相對于CrN鍍層材料，類石墨碳膜具有更加優(yōu)異的導(dǎo)電性能和電化學(xué)穩(wěn)定性，在不銹鋼表面沉積類石墨碳膜可以達(dá)到結(jié)合石墨與不銹鋼材料優(yōu)點(diǎn)的目的。但是，碳材料的濺射率極低(≤0.1)，導(dǎo)致沉積碳膜的時(shí)間較長，不利于制備成本的降低。Cr元素濺射率相對較高，在1.0~1.2之間。同時(shí)，碳膜與不銹鋼基體物理性質(zhì)相差較大，通常碳膜存在極大的內(nèi)應(yīng)力(通常達(dá)到GPa級)，導(dǎo)致膜基結(jié)合力較差。針對PVD沉積類石墨碳膜沉積時(shí)間長、膜基結(jié)合差和易產(chǎn)生孔隙等缺點(diǎn)，本專利提出制備C/MeN多層梯度膜，其中Me是指金屬元素，主要包括Cr、Ti、Al、Mo等元素中的一種或者兩種以上的任何組合。它是以類石墨碳膜和MeN薄膜為主體，在類石墨碳膜和MeN薄膜之間、以及MeN薄膜和不銹鋼基體之間以Cr元素為過渡層的具有化學(xué)成分梯度的薄膜。該鍍層具有較好的膜基結(jié)合力、低孔隙率、較短的制備時(shí)間和低成本等優(yōu)點(diǎn)。由此可見，本專利與以上這些研究和專利的主要區(qū)別在于鍍層的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分不同。

發(fā)明內(nèi)容