[发明专利]质子交换膜燃料电池不锈钢双极板离子镀膜改性方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料表面改性技术领域，与新能源技术领域的质子交换膜燃料电池双极板的制备技术相关。

背景技术

双极板在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中起着支撑、集流以及分隔氧化剂与还原剂的作用，并且引导氧化剂和还原剂在电池内电极表面流动，是决定燃料电池性价比的最关键部件之一。理想的双极板应当具有很高的导电性、耐腐蚀性、高机械强度、高阻气能力、低成本易加工等特点。金属是双极板材料的首选。不锈钢由于导电导热性能好，机械加工性能好和强度高，具有成为理想双极板材料的潜力。然而不锈钢在燃料电池环境中耐腐蚀性能比较差，腐蚀产物会毒化质子交换膜；此外不锈钢本身电阻较高加之腐蚀产物产生的附加电阻使其导电性降低，直接影响着电池的输出功率和使用寿命。使用金、银等贵金属可以提高导电性和耐蚀性，但会使制造成本大提高而不利于商业化生产。

对不锈钢进行表面改性处理是解决问题的理想手段。

离子镀技术用于材料表面的薄膜沉积已经有几十年的历史。电弧离子镀，由于一般采用多个阴极弧源同时联立工作，因而又称多弧离子镀，是离化率最高的离子镀形式，因而具有沉积速度快，膜基结合力强，薄膜致密度高，化合反应充分等优点，主要应用在工模具表面沉积合成碳、氮化合物类硬质薄膜领域。如果能够将电弧离子镀膜技术与不锈钢双极板的表面改性相结合，开发出一种即提高双极板耐蚀性能，又提高导电性能的表面镀膜改性方法，对降低双极板成本、延长使用寿命具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本的、高质量的、易于批量生产的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板表面离子镀膜改性方法，采用本发明对不锈钢薄板进行镀膜处理，使双极板同时具有耐蚀、导电、强化和不亲水等复合性能，满足在质子交换膜燃料电池中的长时运行要求。

本发明的技术方案是：用电弧离子镀技术在不锈钢双极板表面沉积制备一些低成本的改性薄膜，这些改性薄膜可以是铬氮二元、铬镍氮或铬碳氮三元薄膜，它们的组织结构可以是均匀的单质膜，也可以是从里向外成分连续变化的梯度薄膜，或者是成分交替变化的多层薄膜。镀膜改性的工艺为：将不锈钢薄板双极板经过清洗干燥等前处理后放入电弧离子镀设备的真空室中，依次进行抽真空、离子溅射清洗、薄膜沉积和后处理等过程，其中薄膜沉积过程也就是镀膜过程，它又包括启动阴极电弧、调整弧电流、加偏压、通入反应气体等过程，在双极板表面沉积制备改性薄膜；

所述启动阴极电弧为铬弧、铬镍弧和石墨弧，可以启动一种阴极电弧，也可以启动两种以上的阴极电弧；

所述调整弧电流为将电弧蒸发电流调整为一个电流值不变，也可以使弧电流随时间连续或阶跃变化，弧电流的调整范围为35A-150A；

所述加偏压为直流偏压叠加脉冲偏压，其中直流偏压为0V-500V，脉冲偏压各参数中幅值为50V-1000V，频率为0kHz-60kHz，占空比为5％-80％；

所述通入反应气体为氮气，通入量为0sccm-500sccm，氮气分压为0.1Pa-0.9Pa，通入方法为通入量不随时间变化、通入量随时间间歇变化或通入量随时间逐渐变化。

本发明的效果是，在不锈钢双极板表面沉积合成氮化铬均质膜、铬/氮化铬多层膜、铬-氮化铬-氮化二铬梯度膜、铬镍/氮化铬镍多层膜、类金刚石+氮化铬纳米复合膜等薄膜，改变不锈钢双极板的表面性能，使硬度达到6GPa以上，耐蚀性提高3个数量级，接触电阻降低到20mΩ·cm²(0.8MPa压紧力下)以下，水接触角大于90°。

具体实施方式

实施例1