[發明專利]一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長壽命雙極板及其制備方法

有效

• 申請號: 201710032999.1
• 申請日: 2017-01-20
• 公開（公告）號: CN106784916B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 林國強
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M8/0228
• 分類號: H01M8/0228
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉;侯明遠

本發明涉及一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長壽命雙極板及其制備方法，屬于燃料電池及材料表面改性技術領域。雙極板由鈦薄板雙極板基材、鈦鉬鎳納米晶過渡層和表面鈦鉬鎳碳薄膜構成。本發明的過渡層及表面復合薄膜因采用新型電弧離子鍍方法制備，因此在基體與過渡層間、過渡層與表面薄膜間的連接是材料在界面處的多元互擴散準焊接冶金連接，改性層薄膜中缺陷少致密度高，其中表層復合薄膜具有比銀還好的導電性和高的疏水性，過渡層具有在電池環境下長期耐點蝕的能力，因此用該方法制備的雙極板具有很高的綜合性能，可滿足電池電堆高功率下長時壽命運行要求。

技術領域

本發明涉及一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長壽命雙極板及其制備方法，屬于燃料電池和金屬材料表面改性技術領域。

背景技術

燃料電池能將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能，其轉化效率高、環境友好、可靠性強，被認為是當今首選的高效的可持續發電技術。在各類燃料電池中，質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有啟動快、壽命長、比功率高等優點，除適用于地面發電站以外，還特別適合用于可移動動力源和各種便攜電源，是新能源汽車的理想電源之一。

雙極板是質子交換膜燃料電池的主要部件，占電池重量的70％以上，在電池總成本中也占接近一半，其作用是分隔反應氣體、收集電流、將各個單電池串聯起來并通過流場為反應氣進出電極及水的排出提供通道等。金屬是理想的質子交換膜燃料電池的雙極板材料，但是其主要問題是在電池環境下易發生腐蝕，包括化學腐蝕和電化學腐蝕，其后果不僅是使雙極板功能失效，而且還會造成質子交換膜的“毒化”。對金屬雙極板應用現代表面工程技術進行表面改性處理是解決問題的有效手段。因此，在燃料電池的產業化進程中，針對金屬雙極板表面改性的研究開發一直是重點公關技術之一，近年來已在表面改性材料和制備工藝上取得了突破性進展。如ZL200810086374.4等技術，用PVD電弧離子鍍方法在不銹鋼雙極板表面沉積碳鉻等納米復合薄膜，使改性后雙極板的原始性能中導電性能接近貴金屬銀，耐蝕性能比不銹鋼基體提高2個數量級以上，疏水性能水接觸角大于110°，達到了用廉價表面改性材料替代貴金屬來制備雙極板以大幅度降低成本的目的。

但在近期持續研究發現，經上述技術表面改性處理的雙極板在實際裝堆累計運行數千小時后，電堆會出現綜合性能迅速衰減，輸出功率陡降的現象。經系統的分析研究發現，其原因在于雙極板表面的改性薄膜不可避免地存在針孔，在長期運行過程中腐蝕介質會逐漸穿過針孔而進入薄膜內部直接接觸不銹鋼基體表面，從而造成潰瘍式腐蝕，如此在導致接觸電阻大幅度增加的同時，也會使改性薄膜浮起并崩落，最終使燃料電池電堆過早失效。

因此，目前關于燃料電池雙極板所要亟待解決的問題，是如何保障雙極板在實際電堆環境中滿足超長時限運行的問題，如此必須解決的問題有二，一是如何提高表面改性薄膜的致密度以降低針孔數量的問題，二是如何提高薄膜下雙極板基體上表面的耐針孔點蝕性能以保證雙極板長時維持高水平綜合性能的問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種低成本的、高質量的、長壽命的質子交換膜燃料電池用雙極板及其表面改性薄膜的制備方法，采用本發明的結構和方法制備的雙極板，同時具有高指標的耐蝕、導電和疏水等綜合性能，并且保障這些初始性能指標在10000小時的長時服役后下降幅度不大于5％，滿足在質子交換膜燃料電池中的長壽命運行要求。

本發明的技術構思是，在金屬雙極板基體與表面改性薄膜之間再增加一層在燃料電池環境下耐點蝕的特殊的防護層，防護層材料依據配位場耐蝕合金設計理論并進行實驗驗證來確定，最外表面改性材料采用新型碳基納米復合薄膜，為了增強界面相容性，碳基納米復合材料的組元成分在保障性能的前提下依據成分友好原則來確定。其中尤為關鍵的是，該中間防護層和表面改性材料應用附帶有大面積氣體離子源和熱絲等離子體增強放電的電弧離子鍍方法來制備，其中應用熱絲可發射大量電子以促進等離子體的離化率，會大大提高膜/基界面的“縫合”能力；應用大面積氣體離子源，可對各層之間的界面進行離子刻蝕清洗，會大大消除針孔缺陷數量并提高薄膜整體致密程度。