[發明專利]一種表面改性的燃料電池雙極板、制備方法及燃料電池

在審

• 申請號: 202211190218.9
• 申請日: 2022-09-28
• 公開（公告）號: CN115513482A
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發明（設計）人: 李松;李偉民;王賽強;唐瑋;苑欣業;俞深;趙晨晨;祁同慶;馬明;寧德;楊春雷
• 申請（專利權）人: 深圳先進技術研究院
• 主分類號: H01M8/0202
• 分類號: H01M8/0202;C23C14/18;C23C14/35
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 劉建偉

本申請提供的表面改性的燃料電池雙極板及其制備方法，以燃料電池的雙極板為基材，利用真空濺射鍍層技術在所述基材的表面形成均勻的C?Cr涂層，通過使用Cr元素的摻雜C，克服了不銹鋼與C薄膜之間附著力較差，碳的沉積存在一些困難的缺陷，與普通的碳薄膜相比，C?Cr薄膜可以提高涂層的界面電導率和耐蝕性，同時使薄膜獲得低殘余應力和良好的穩定性，并降低源自涂層缺陷的局部腐蝕的風險。另外，本申請還提供了一種燃料電池。

技術領域

本申請涉及燃料電池技術領域，特別涉及一種表面改性的燃料電池雙極板、制備方法及燃料電池。

背景技術

目前國內外制備質子交換膜燃料電池(PEMFC)雙極板多采用碳基材料，盡管碳基材料的成本不高，但是由于雙極板表面復雜氣體流道的要求，制備碳基雙極板所需的機械加工費用較高。同時，碳基材料的抗彎能力較差、質脆，該類雙極板的厚度較大。因此，碳基雙極板的體積、質量和成本占了整個電池堆的絕大部分。較碳基雙極板而言，金屬材料雙極板具有良好的力學性能、機械加工性能和尺寸穩定性，可通過軋制，制備成金屬薄片，從而顯著降低電池質量和體積。與此同時，金屬材料具備成熟的加工工藝，可利用精密加工技術，加工出所需的流道，便于冷卻、排水。正因為如此，金屬材料雙極板被認為是理想的雙極板電極材料。

不銹鋼材料具有的高耐蝕性、高導熱性、良好的加工性能、價格低等特點，在金屬雙極板材料中極具競爭力。然而，經研究發現，未經處理的不銹鋼雙極板在PEMFC的環境中容易在其表面產生氧化物鈍化膜，氧化物鈍化膜的導電性較差會明顯增大接觸電阻，此外電解液也會因雙極板析出的鎳、鉻、鐵等金屬離子受到污染，電池的歐姆阻抗和電荷轉移阻抗會明顯增大，直接影響到燃料電池的使用壽命，無法滿足燃料電池的高性能需求。未經表面處理的不銹鋼雙極板，雖具有生產快、加工成本低的優勢，但不銹鋼材料在電池環境中出現的耐蝕性較差、易產生鈍化膜等問題直接影響到了燃料電池的使用性能。為此，通過表面改性處理提高不銹鋼雙極板的耐蝕性是解決其商業化應用的重要途徑。

目前，能同時解決不銹鋼雙極板的導電性與耐蝕性問題的最有效方法是表面進行涂層改性，經過涂層改性后的不銹鋼雙極板能在保證良好導電性的同時提高雙極板的耐蝕性，保障整體電池的使用性能和壽命。不銹鋼雙極板不同的表面涂層改性后表現出的性能各有差異。針對不銹鋼雙極板涂層性能需求，國內外研究人員進行了大量的不銹鋼表面改性研究。依據涂層的材料不同，可分為金屬基涂層和碳基涂層這兩類材料。

將碳基和金屬的優點相結合，通過在不銹鋼雙極板表面沉積制備碳基鍍層，可在保留不銹鋼雙極板較高導電性、力學性能和低滲透性的基礎上，顯著提升其耐蝕性，且制備簡單，成本較低。同時碳基涂層表現出良好的疏水性能，有利于及時排出燃料電池內部的液態水。然而，對于碳基薄膜來說，提高致密性和降低內壓應力一直無法同時實現，生產無缺陷、低內應力和性能穩定的碳基涂層成為了一項技術難題。

發明內容

鑒于此，有必要針對現有技術中存在的缺陷提供一種可以提高致密性和降低內壓應力的表面改性的燃料電池雙極板、制備方法及燃料電池。

為解決上述問題，本申請采用下述技術方案：

本申請目的之一，提供了一種表面改性的燃料電池雙極板，包括雙極板及形成于所述雙極板表面的C-Cr涂層。

在其中一些實施例中，所述雙極板為316不銹鋼箔。

在其中一些實施例中，所述C-Cr涂層的厚度為800-1000nm。

本申請目的之二，提供了一種所述的表面改性的燃料電池雙極板的制備方法，包括下述步驟：

在真空環境中通入工作氣體；

于上述工作氣體的環境中，將所述雙極板置于陽極架上，并在所述陽極架的平行方向設置陰極架，所述陰極架上設置靶材，所述靶材和所述雙極板相對設置，所述靶材為固體C-Cr孿生靶；