[發(fā)明專利]一種基于碳膜修飾的金屬雙極板的制備及雙極板和應(yīng)用

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• 申請日: 2017-10-27
• 公開（公告）號: CN109728307A
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾亞超;鄭利民;高正遠(yuǎn);艾軍;侯明;邵志剛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域中一種新型金屬雙極板的表面改性方法。這種改性雙極板由金屬基體和表面改性層兩部分組成，改性層通過離子鍍沉積于基體表面，并分為過渡層和最外層兩部分。本發(fā)明能夠進一步提高金屬基體的耐腐蝕性能，降低雙極板與氣體擴散層材料(碳紙)的接觸電阻，雙極板能采用沖壓等方式進行加工，以提高燃料電池電堆的質(zhì)量比功率和體積比功率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域中基于碳膜修飾的金屬雙極板的制備及雙極板和應(yīng)用。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。其以氫氣和氧氣為原料，在催化劑的作用下反應(yīng)生成水。質(zhì)子交換膜燃料電池對環(huán)境友好，能量轉(zhuǎn)化效率高，能快速啟動，因此，受到全世界的廣泛關(guān)注。此外，其在汽車工業(yè)、備用應(yīng)急電源、分散電站及軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵部件之一，具有連接單池、支撐電堆、提供氣體流場、收集電流、散熱、排水等作用，因此，要求作為雙極板的材料具有機械強度高、滲氣率低、電導(dǎo)率高、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕、與碳紙接觸電阻低、低成本等性質(zhì)。

在動力電源應(yīng)用方面，要求燃料電池電堆具有較高的質(zhì)量比功率和體積比功率，但在傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池電堆中，石墨為制作雙極板的主要材料，由于石墨氣密性不佳、機械強度低、脆性大等原因，造成傳統(tǒng)雙極板厚度大、質(zhì)量重、不耐機械震動、加工難度大、成本高，使得石墨在動力電源的應(yīng)用中受限。金屬具有較高的電導(dǎo)率、較好的機械強度、透氣率低、導(dǎo)熱性好、成本低、可進行沖壓加工等特點，是制作雙極板的潛在材料之一，但金屬與碳紙間的接觸電阻過大，進而造成電池內(nèi)部較大的歐姆阻抗，這將顯著降低金屬作為雙極板時，電堆的輸出性能。因此，金屬制作的雙極板表面必須進行適當(dāng)?shù)母男蕴幚怼?/p>

目前很多研究者在基體不銹鋼表面沉積TiN鍍層，這顯著降低了不銹鋼與碳紙之間的接觸電阻，但TiN鍍層穩(wěn)定性較差。Ho-Young Jung在鈦板表面制備了1μm的金鍍層，阻止了鈍化層的形成，電池性能較好，但是金的價格昂貴，難以實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。B.Yang通過熱氮化在不銹鋼表面制備了Cr的氮化物，但膜不連續(xù)，對基體的保護性較差。在金屬雙極板表面制備致密、耐腐蝕、導(dǎo)電性好并且與碳紙間接觸電阻小的碳涂層，則可以提高基體金屬的耐蝕性，降低質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的內(nèi)阻，提高電堆輸出性能。

本發(fā)明針對現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板表面改性技術(shù)的不足，提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板的表面改性方法，使其耐腐蝕性提高，與碳紙之間的接觸電阻降低，滿足質(zhì)子交換燃料電池高質(zhì)量比功率和高體積比功率的發(fā)展要求。

發(fā)明內(nèi)容

一種基于碳膜修飾的金屬雙極板的制備方法，包括以下步驟：

1)預(yù)先對金屬基材進行表面清洗，清洗的流程包括酸洗、堿洗、去離子水洗，所述的金屬基材可以是不銹鋼、鈦及其合金、鋁及其合金、鎂合金所制備的金屬板材，其厚度在0.01mm～1mm；

2)采用離子鍍在金屬基材表面沉積過渡層，所述過渡層為Cr、Ti、Nb、Ta、Ni、Cu、Al、V、Co、Au、Ag等中的一種或多種，過渡層可以是金屬單質(zhì)，也可以是金屬的氮化物或者碳化物，所述離子鍍的真空度為1×10^-2Pa～50Pa，工作氣體為He、Ar、N₂、甲烷、乙炔等氣體中的一種或者幾種氣體的混合氣體，沉積電流為1A～300A，沉積的時間為10min～300min，所制備的過渡層的厚度在10nm～30μm；

3)采用離子鍍在過渡層的表面沉積碳膜，所述離子鍍的真空度為1×10^-2Pa～50Pa，工作氣體是Ar、He氣體中的一種或者兩種氣體的混合氣體，沉積電流為1A～300A，沉積的時間為10min～300min，所制備的碳膜的厚度在10nm～30μm。