[發明專利]可再生燃料電池用金屬雙極板及制備方法

無效

• 申請號: 201210535997.1
• 申請日: 2012-12-13
• 公開（公告）號: CN103022510A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 張敏;黃野;林國強;潘玉麗;胡小剛
• 申請（專利權）人: 遼寧師范大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 大連非凡專利事務所 21220
• 代理人: 閃紅霞

技術領域

本發明涉及一種可再生燃料電池用金屬雙極板及制備方法，尤其是一種易于批量生產、原材料消耗少、低成本、可提高金屬雙極板耐蝕和導電性能的可再生燃料電池用金屬雙極板及制備方法。

背景技術

燃料電池是一種高效的、環境友好的發電裝置，它可直接將儲存在燃料與氧化劑中的化學能轉化為電能。

在各類燃料電池中，可再生燃料電池（Regenerative?Fuel?Cell，RFC）是目前比能量最高的儲能系統，既可實現燃料電池（Fuel?Cell，FC）功能又可實現水電解（Water?Electrolysis，WE）功能，包括WE和FC兩大工作模塊：執行FC模塊時實現氫氧復合并對外輸出電能；執行WE模塊時利用外加電能將水電解成氫氣和氧氣，達到儲能的目的。其比能量可達400~1000Whkg^-1，是最輕的二次電池比能量的幾倍。另外，可再生燃料電池具有充放電方便、無自放電、不受放電深度及電池容量限制等燃料電池的所有優點，主要應用于空間飛行器、太空船的能量存儲系統以及海島、邊防等軍事能源供應領域。

金屬雙極板在燃料電池中起著支撐、集流以及分隔氧化劑和還原劑的作用，并且引導氧化劑和還原劑在電池內電極表面，是燃料電池的關鍵組成部分，占電池重量的70%以上，約占電池總成本的一半。理想的金屬雙極板在燃料電池工作環境中應具有良好的耐腐蝕性能，同時保持高導電性、高機械強度、高阻氣性能，并且還需具有低成本、易加工等特點。

可再生燃料電池WE工作模式的工作電位比FC模式高，在0.8-1.6V的范圍，這個高電位使得雙極板的工作環境腐蝕性更強，金屬雙極板必須具有更高的耐蝕性，同時保持良好的導電性。

以往，可再生燃料電池用金屬雙極板是在鈦板表面鍍Pt或Au，成本高，嚴重限制了可再生燃料電池的應用，因此需要針對可再生燃料電池的工作環境探索新的表面改性層材料。

美國專利US?7879389B2選用具有疏水性的粉體材料和導電性好的粉體，并將其混合成溶膠溶液，用化學噴涂的方法在金屬薄板表面制備薄膜，所制得的薄膜雖然改善了金屬薄板的導電性和疏水性能，但耐蝕性和膜基結合力有待提高。中國公開號為CN?101257117B，CN?101257118B，CN?100595951C的專利申請分別在金屬薄板表面鍍覆氮鉻薄膜、碳鉻薄膜和碳鎳鉻薄膜，以提高其耐蝕和導電性能，很大程度上改善了不銹鋼雙極板的導電和耐蝕性能，但耐蝕性能只能保證其在燃料電池工作電壓范圍（-0.1V~0.8V）的穩定性，工作電壓高于0.8V時，改性薄膜會迅速發生腐蝕、溶解和脫落，因此不能滿足在可再生燃料電池工作電壓范圍（-0.1V~1.8V）的材料穩定性。

離子鍍技術是在蒸發和濺射鍍膜技術的基礎上發展而來的物理氣相沉積技術，用于表面改性薄膜的沉積已有幾十年的歷史。電弧離子鍍是最具代表性的離子鍍技術之一，是離化率最高的離子鍍形式，具有沉積速率快、薄膜致密度高、化學反應活性強等優點。由于薄膜生長機制是原子級載能粒子（離子）的有序沉積，因而薄膜與基材之間屬于原子尺度的連續匹配連接，具有半冶金結合、結合力強的特點。此外，電弧離子鍍改性薄膜的厚度僅為微納米量級，原材料耗量低但功效顯著，特別是電弧離子鍍技術在整個薄膜合成過程中沒有任何污染氣體的排放，具有清潔、環保的優勢。但是，迄今為止還沒有關于用電弧離子鍍法將薄膜沉積在鈦板或不銹鋼板上，用于燃料電池金屬雙極板的相關報道。

發明內容

本發明是為了解決現有技術存在的上述技術問題，提供一種易于批量生產、原材料消耗少、低成本的可提高金屬雙極板耐蝕和導電性能的可再生燃料電池用金屬雙極板及制備方法。

本發明的技術解決方案是：一種可再生燃料電池用金屬雙極板，由金屬薄板及連接在金屬薄板上的薄膜構成，所述金屬薄板為厚度0.2mm~2.0mm的鈦板或不銹鋼板，所述薄膜為厚度為0.1μm~3μm的Ti-Ag-N納米復合薄膜，所述金屬薄板與薄膜之間的連接是原子尺度上的連續匹配連接。

所述的Ti-Ag-N納米復合薄膜是10nm~30nm的納米Ag粒子鑲嵌于20nm~100nm的?TiN納米晶基體中。

一種上述的可再生燃料電池用金屬雙極板的制備方法，是用電弧離子鍍將Ti-Ag-N納米復合薄膜沉積在金屬薄板表面，其特征在于：采用離子濺射的方法去除金屬薄板表面鈍化膜；采用Ag靶和Ti靶弧流匹配調整薄膜沉積過程中的弧流，Ti靶弧流與Ag靶弧流的比例為3A/2A~5A/2A；氮氣送入量與總弧流的比例是1sccm/21A~4sccm/9A。