[發(fā)明專(zhuān)利]類(lèi)金剛石改性的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池金屬雙極板及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710258069.8
• 申請(qǐng)日: 2017-04-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106876742A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田如錦
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 大連交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/0228
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/0228;H01M8/0206;H01M8/021;H01M8/0213;C23C16/02;C23C16/26
• 代理公司: 大連東方專(zhuān)利代理有限責(zé)任公司21212
• 代理人: 王穎,李馨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及聚合物電解質(zhì)膜燃料電池金屬雙極板及其表面改性。

背景技術(shù)

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、壽命長(zhǎng)、工作溫度低、環(huán)境友好和低溫快速啟動(dòng)等特點(diǎn)，是一種軍民通用的可移動(dòng)電源，尤其適合建設(shè)分散電站和用作交通運(yùn)輸工具的動(dòng)力源。然而，相對(duì)較高的成本、重量和體積等諸多因素在很大程度上限制了聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。因此，降低其各組件材料和制備成本一直是各國(guó)政府和研究者關(guān)注和急待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。

作為聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的多功能組件之一，雙極板的功能主要包括分隔反應(yīng)氣體、集流導(dǎo)電、支撐膜電極、為反應(yīng)氣體提供通道并使其分布均勻、方便電池組的水熱管理。石墨具有良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，是一種理想的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池雙極板材料。然而，高脆性、低強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)疏松多孔等不足使其難以生產(chǎn)低重量、低體積的高性能燃料電池組。此外，在石墨板表面加工流場(chǎng)時(shí)所需工藝復(fù)雜且費(fèi)用高昂，約占聚合物電解質(zhì)膜燃料電池總成本的80％左右。與傳統(tǒng)石墨相比，金屬材料在強(qiáng)韌性、導(dǎo)電性和氣密性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。值得注意的是，可以采用機(jī)械加工和沖壓的方法在金屬表面加工各種形狀的流場(chǎng)，尤其適合于批量生產(chǎn)，能夠大幅度提高聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的質(zhì)量比功率和體積比功率。目前常用的金屬雙極板材料主要包括鐵基合金、鎳基合金和鋁、鈦及其合金等。

受質(zhì)子交換膜部分降解和電極制備工藝特殊性的影響，在聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的工作環(huán)境中常存在SO₄^2-、SO₃^2-、CO₃^2-、HSO₄^-和HSO₃^-等離子。因此，金屬雙極板在這種酸性條件下發(fā)生電化學(xué)腐蝕是不可避免的。盡管金屬雙極板表面所形成的鈍化膜能夠有效抑制金屬進(jìn)一步腐蝕，但鈍化膜中金屬氧化物的半導(dǎo)體性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致表面導(dǎo)電性降低。顯然，所有這些因素勢(shì)必造成一些電能的消耗和燃料電池組輸出功率的降低，從而影響電池組的耐久性。為了同時(shí)滿(mǎn)足其在導(dǎo)電性和耐蝕性上的要求，在金屬雙極板表面制備改性層不失為一種有效方法，這對(duì)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的發(fā)展和應(yīng)用必將產(chǎn)生重要影響。顯然，價(jià)格高昂的貴金屬改性層不適于生產(chǎn)低成本的電池組。受制備工藝條件的限制，采用PVD、CVD、化學(xué)鍍和電鍍等不同的方法制備的氮化物和氧化物改性層常存在難以避免的微孔和微裂紋等組織缺陷。這些缺陷無(wú)疑會(huì)引起金屬雙極板局部腐蝕并導(dǎo)致改性層剝落，從而明顯縮短聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的使用壽命。基于現(xiàn)有表面改性方法總是存在或多或少的足限性，還沒(méi)有任何一種通過(guò)表面改性處理的金屬雙極板能夠滿(mǎn)足目前聚合物電解質(zhì)膜燃料電池規(guī)模化市場(chǎng)應(yīng)用的要求。因此，發(fā)展成本低廉、高表面導(dǎo)電性和耐蝕性的雙極板仍舊是聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的必然途徑，也必然對(duì)其商業(yè)化進(jìn)程產(chǎn)生重要的影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在于提供一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池金屬雙極板制備方法，采用線(xiàn)性離子束技術(shù)在金屬雙極板表面制備類(lèi)金剛石改性層。該方法可以實(shí)現(xiàn)改性層大面積均勻生長(zhǎng)，具有生產(chǎn)效率高、易于生產(chǎn)加工等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足規(guī)模化市場(chǎng)應(yīng)用的要求。類(lèi)金剛石改性層表面光滑，低孔隙率、無(wú)裂紋，能夠顯著提高聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的輸出功率和使用壽命。

本發(fā)明所提供的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池金屬雙極板由金屬基體和表面類(lèi)金剛石改性層組成。具體采用離子束技術(shù)按照以下步驟制備：

1)預(yù)處理：金屬基體經(jīng)400～1500^#砂紙依次打磨，用金剛石研磨膏拋光；依次置于丙酮、酒精溶液中用超聲波清洗10min，干燥備用；

2)將預(yù)處理后的金屬基體放入樣品室，當(dāng)樣品室內(nèi)真空度達(dá)到2.2×10^-5Torr時(shí)，通入氬氣對(duì)金屬基體表面進(jìn)行離子轟擊以清潔其表面，時(shí)間為30min；

3)類(lèi)金剛石改性層制備：通入碳?xì)浠衔餁怏w，流量為40sccm，壓力為1.2×10^-4Torr，離子束電流為0.2A，離子束電壓為1100V，襯底偏壓為-100V，脈沖頻率為350kHz，溫度為85～95℃，時(shí)間為0.5～5h。

本發(fā)明所述方法，金屬基體材料為奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼或雙相不銹鋼。

本發(fā)明所述方法，所述類(lèi)金剛石改性層所用碳?xì)浠衔餁怏w為為甲烷、乙炔、乙烷或丙烷。