[發(fā)明專利]聚合物質(zhì)子交換膜燃料電池的金屬雙極板材料的制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811284606.7
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109449457A
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高云智;李權(quán);石堅
• 申請（專利權(quán)）人: 上海漢行科技有限公司
• 主分類號: H01M8/0258
• 分類號: H01M8/0258;H01M8/0206;H01M8/0228
• 代理公司: 哈爾濱市哈科專利事務(wù)所有限責任公司 23101
• 代理人: 吳振剛

本發(fā)明公開一種聚合物質(zhì)子交換膜燃料電池的金屬雙極板材料的制備方法，所述的金屬雙極板材料采用不銹鋼SUS316L板材，采用金屬熔射法將耐腐蝕、高導電性的無機碳化物顆粒直接噴涂在不銹鋼SUS316L板材表形成一層致密的耐腐蝕、高導電性的顆粒分散涂層。本制備方法操作簡單，工藝穩(wěn)定可靠，操作條件簡單，特別適用于從研制階段直接轉(zhuǎn)為量產(chǎn)。本發(fā)明制備的金屬雙極板具有更好的耐腐蝕性和更良好的導電性。能夠防止在燃料電池中的發(fā)電過程中雙極板受到電極電極電位的作用而產(chǎn)生的導電性下降的問題，提高了燃料電池放電能力的長期穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種聚合物質(zhì)子交換膜燃料電池的金屬雙極板材料的制備方法。

背景技術(shù)

近年來，隨著人們對環(huán)境的重視程度的上升，現(xiàn)在搭載內(nèi)燃機的交通工具在今后會逐漸被由電池驅(qū)動的動力取代。目前各種新型動力電池不斷出現(xiàn)，電動汽車也在逐漸普及。但是依然存在著巡航里程不足、充電時間長、以及安全性等問題。與此相比，質(zhì)子交換膜燃料電池作為動力源有續(xù)航里程長、燃料加注快以及較好的安全性而越來越受到關(guān)注?，F(xiàn)在已經(jīng)有豐田汽車公司的燃料電池車小批量市場。今后隨著燃料電池技術(shù)的進步和燃料加注設(shè)施的完善，預計燃料電池車會保持較高的增長速度發(fā)展。

質(zhì)子交換膜燃料電池是由電解質(zhì)膜-電極組件(MEA：membrane electrodeassembly)和雙極板構(gòu)成。MEA是電池中發(fā)生陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)的場所。而雙極板的作用是均勻供給陰極和陽極電極反應(yīng)所需要的燃料氣和空氣，同時將電極反應(yīng)所產(chǎn)生的電流傳遞至燃料電池的外部。雙極板還有一個重要的作用是作為燃料電池的結(jié)構(gòu)保持部件使電極反應(yīng)、氣體擴散、尾氣排出、電能導出這些過程能夠順利的按照設(shè)計進行，并且由電池單體相互組合組成所需功率的電堆。由于雙極板處于氫氧電極反應(yīng)的近旁，并與電極的氣體擴散層接觸，因此雙極板需要有極高的耐腐蝕性。同時，由燃料電池產(chǎn)生的電能要盡可能高效的傳遞給負載，因此雙極板的表面要求有極高的電子導電性。

由于車載動力用燃料電池在車輛行駛中有可能遭受強烈的振動或受到較大的力的作用，為了在使用過程中保證各種條件下的安全性，雙極板由早期的石墨材料轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的金屬材料。特別是不銹鋼SUS316L由于其具有高的耐腐蝕性而被廣泛采用。但是，不銹鋼SUS316L在燃料電池內(nèi)部受到來自氫陽極反應(yīng)而產(chǎn)生的酸性和正極電極電位的作用，表面會生成鈍化膜。這層鈍化膜雖然具有較高的耐腐蝕性，但是其電子導電性較差，在較大電流流過的情況下會產(chǎn)生較大的歐姆電壓降，直接影響燃料電池的輸出性能。因此，如何使雙極板表面同時具有較高的耐腐蝕性和電子導電性是提高燃料電池性能的關(guān)鍵。迄今為止，燃料電池雙極板的表面普遍采用CVD、離子鍍、磁控濺射等鍍膜技術(shù)來形成一層導電性皮膜來提高電子導電性。例如CN106935878A公開了一種用貴金屬皮膜修飾的雙極板，CN106876742A采用類金剛石皮膜作為防護膜，CN101393991采用離子注入技術(shù)改變表面成分形成保護膜。而CN107302094A也采用離子鍍技術(shù)形成合金、氧化物等等涂層。以上的技術(shù)均為在表面形成一層致密的導電性保護膜來達到耐蝕性和導電性的雙重目的。

真空離子鍍法，也可以用來鍍膜。其工作過程是，蒸發(fā)源節(jié)陽極，工件接陰極，當通以三千至五千伏高壓后，蒸發(fā)源和工件之間產(chǎn)生輝光放點。特點是：粒子以及其高的速度轟擊在工件，由于速度快，不僅趁機速度快，而且能夠穿透工件表面，形成一種注入基體很深的涂層。缺點是：蒸發(fā)源、工件需要真空環(huán)境，需要注入氬氣，鍍層厚度難以控制，工件非鍍表面的屏蔽存在方法的缺陷，而且設(shè)備容量小，大型零件難以操作，投資過大等。

磁控濺射法鍍膜就是在真空中利用荷能粒子轟擊靶材料，使被轟擊出的粒子沉積在基片上的技術(shù)。其工作過程為：陰極靶由鍍膜材料制成，基片作為陽極，真空室中通入氬氣或其他惰性氣體，在陰極靶3000V直流高壓作用下，產(chǎn)生輝光放電，電離出來的氬離子轟擊在靶表面，使得靶原子濺出并沉積在基片上，形成薄膜。特點是：被濺射原子能量高，所以沉積時原子的擴散能力高，沉積組織的致密程度好，薄膜和基片有強附著力。缺點是：陰極靶和基片需要真空環(huán)境，需要注入氬氣或其他惰性氣體、靶材濺射效率低、靶材在基片上容易發(fā)熱甚至形成二次濺射，影響制膜質(zhì)量，設(shè)備投入大等。