[發(fā)明專利]一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811156859.6
• 申請(qǐng)日: 2018-09-30
• 公開（公告）號(hào): CN109301259B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫德恩;何帥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M4/88;C23C14/06;C23C14/35
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 任美玲;趙青朵

本發(fā)明提供了一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，包括不銹鋼基材以及依次復(fù)合于所述不銹鋼基材表面的結(jié)合層和Cr、N共摻雜類金剛石薄膜。本發(fā)明所提供的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板表面為Cr、N共摻雜類金剛石薄膜，使DLC薄膜同時(shí)具有良好導(dǎo)電以及耐腐性能，能夠?qū)崿F(xiàn)提高涂層耐蝕性、降低接觸電阻的效果，為燃料電池極板開發(fā)提供實(shí)驗(yàn)支撐和依據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬表面處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板及其制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池雙極板表面涂質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色高效能發(fā)電技術(shù)之一，具備輸出功率高，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，PEMFC在相對(duì)較低的溫度下工作，從而使系統(tǒng)部件具有更好的耐久性。

雙極板是其中的重要部件，其質(zhì)量直接影響燃料電池的使用性能和壽命。其主要功能是分配和分離陰極和陽極反應(yīng)氣體，收集和傳輸電流。在重量、體積和成本方面，雙極板是燃料電池堆最重要的部分。因此，除了滿足質(zhì)子交換膜燃料電池的基本要求的特性，如高導(dǎo)電性、機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性之外。同時(shí)還要求雙極板材料也是成本低、質(zhì)量輕和易于加工制造的。

不銹鋼具有強(qiáng)度高、電熱傳導(dǎo)性能好、成本低、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足雙極板的要求且較好地升高燃料電池的比功率。但是在燃料電池的運(yùn)行環(huán)境下，不銹鋼材料會(huì)存在表面鈍化或溶解等腐蝕問題。因此，很有必要對(duì)不銹鋼雙極板材料進(jìn)行表面處理。

類金剛石(Diamond-like carbon,DLC)薄膜是一種具有典型非晶態(tài)微結(jié)構(gòu)的碳基薄膜材料，擁有許多優(yōu)良性能，如高硬度、減摩抗磨性能好、高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、良好的光學(xué)透性及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性等。由于其優(yōu)異的化學(xué)惰性，常被用來作為耐腐蝕涂層。但是，在不銹鋼雙極板防護(hù)方面的應(yīng)用，類金剛石膜的導(dǎo)電性需要進(jìn)一步優(yōu)化。目前，在類金剛石膜中摻某些元素能夠使其具有較好的導(dǎo)電性能，但存在的問題是隨著導(dǎo)電性能升高，電化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，其耐蝕性反而會(huì)受到影響。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板及其制備方法，本發(fā)明提供的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板在具有良好的電學(xué)性能的同時(shí)，還具有良好的耐蝕性能。

本發(fā)明提供了一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，包括不銹鋼基材以及依次復(fù)合于所述不銹鋼基材表面的結(jié)合層和Cr、N共摻雜類金剛石薄膜。

優(yōu)選的，所述Cr、N共摻雜類金剛石薄膜為非晶態(tài)的C、CN、Cr₂N與晶體CrN相結(jié)合的薄膜。

優(yōu)選的，所述Cr、N共摻雜類金剛石薄膜為高sp²含量的Cr、N共摻雜類金剛石薄膜。

優(yōu)選的，所述Cr、N共摻雜類金剛石薄膜的厚度為1～1.5μm。

優(yōu)選的，所述結(jié)合層為Cr結(jié)合層。

優(yōu)選的，所述不銹鋼基材為SS316L不銹鋼基材。

本發(fā)明還提供了一種上述雙極板的制備方法，包括以下步驟：

A)在真空條件下，以氬氣為工作氣體，用Cr靶在清洗后的經(jīng)過前處理的不銹鋼基材表面沉積Cr結(jié)合層；

B)以氬氣為工作氣體，氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體，用Cr靶和C靶在所述Cr結(jié)合層表面沉積Cr、N共摻雜類金剛石薄膜，得到質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板。

優(yōu)選的，所述清洗后的經(jīng)過前處理的不銹鋼基材的制備方法為：

將不銹鋼基材進(jìn)行熱處理，所述熱處理的過程為：先升溫到250～300℃，保溫30～60min后，再降低至90～120℃；