[發明專利]等離子熱化學處理的聚合物電解質膜燃料電池金屬雙極板

有效

• 申請號: 201810366761.7
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108539214B
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 田如錦
• 申請（專利權）人: 大連交通大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/1018;H01M4/86
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 王穎;李馨

本發明公開了一種表面改性的聚合物電解質膜燃料電池金屬雙極板，包括金屬基體和改性層，所述改性層和金屬基體間為冶金結合；所述改性層的制備方法具有工藝成熟、所需設備簡單、可連續生產、成本低廉等優點；所述改性層不受基體幾何形狀限制、不損害強度，生長均勻、結構致密，改性層具有良好的耐腐蝕性、表面導電性和疏水性，能大幅度提高聚合物電解質膜燃料電池的輸出功率和耐久性。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域。特別涉及聚合物電解質膜燃料電池金屬雙極板及其表面改性。

背景技術

日益嚴重的能源危機和環境污染使高效安全的燃料電池受到越來越多的重視。聚合物電解質膜燃料電池具有高效、啟動快、無污染、比功率密度高等優點，廣泛應用于分布式發電站和車載移動能源等。聚合物電解質膜燃料電池主要由膜電極、雙極板、氣體擴散層等主要部件組成。其中，占總重量80％的雙極板是PEMFC的重要多功能組件之一。雙極板具有供氣體反應場所、收集電流、支撐膜電極、水管理等作用，這就要求雙極板材料應當必須具有良好的表面導電性和耐腐蝕性能、足夠的機械強度以及韌性。

石墨和石墨基復合材料因較低的接觸電阻和良好的化學穩定性而作為傳統的雙極板材料，但由于石墨機械強度較差、難于生產和高成本阻礙了其規模化商業應用。金屬材料適合沖壓成形和降低電池組重量，但在高溫、高濕的酸性工作環境中發生腐蝕，同時表面形成的保護性鈍化膜會提高雙極板與氣體擴散層間的接觸電阻，從而降低燃料電池的輸出功率。因此，常用金屬材料很難滿足雙極板在耐蝕性和導電性方面的需求，物理氣相沉積、化學氣相沉積、化學鍍或電鍍等是目前用以解決上述問題的常用表面改性方法。但受到這些方法自身的局限性影響，制備過程中存在孔隙和裂紋等結構缺陷及結合力不足，促使酸性電解質溶液借此直接接觸基體材料并導致涂層失效，溶解的金屬離子會污染催化劑和降低質子交換膜傳導能力，從而嚴重影響燃料電池的使用壽命。

考慮到現有表面改性方法總是存在或多或少的局限性，還沒有任何一種通過表面改性處理的金屬雙極板能夠滿足目前聚合物電解質膜燃料電池規模化市場應用的要求。因此，發展成本低廉、高表面導電性和耐蝕性的雙極板仍舊是聚合物電解質膜燃料電池的主要研究方向，也必然對其商業化進程產生重要的影響。

發明內容

為了解決現有技術所存在的難題，本發明旨在提供一種低成本的兼具高導電和耐蝕性能的聚合物電解質膜燃料電池金屬雙極板及其制備方法。采用等離子熱化學處理技術在金屬雙極板表面制備與基體材料冶金結合的改性層。該方法可以實現改性層大面積均勻生長，改性層表面光滑致密，無明顯結構缺陷，具有不受幾何形狀限制、生產效率高、易于生產加工等特點，特別適合實現金屬雙極板規模化表面改性的需求。因此，采用等離子熱化學處理的金屬雙極板能夠顯著提高聚合物電解質膜燃料電池的輸出功率和使用壽命。

本發明所提供的聚合物電解質膜燃料電池金屬雙極由金屬基體和改性層組成，所述改性層與金屬基體間為冶金結合。本發明中等離子熱化學處理的金屬雙極板腐蝕速度低于 1μA/cm²，接觸電阻率低于4mΩ·cm²，接觸角大于92°。

為了實現上述目的，本發明提供的聚合物電解質膜燃料電池金屬雙極板采用以下技術方案進行制備：

1)金屬基體經粗磨、精磨和拋光后，用丙酮超聲波清洗30min，干燥待用；

2)當真空度低于5Pa時，通入氬氣對放入樣品室內的經步驟1)處理的金屬基體進行離子轟擊以清潔其表面，時間為30min；

3)步驟2)處理的金屬基體等離子熱化學處理，具體工藝參數如下：Ta電極電壓為900～ 950V，金屬基體加熱溫度為850～900℃，處理時間為1.5～2.5h，金屬基體電壓為300～400V，工作壓力為30～35Pa，金屬基體與Ta電極間距離為15～20mm；

4)停止供氣、關掉電源和真空泵，工件隨緩慢冷卻至室溫，得到等離子熱化學處理的聚合物電解質膜燃料電池金屬雙極板；