[发明专利]质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面改性方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域的制备方法，特别是一种质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面改性方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/碳或铂-钌/碳为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，工作温度一般在60～100℃的将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。在全球环境污染日益严重、化石能源日趋枯竭的情况下，因其具有高效、节能、安全、环保等优点而备受各国政府和研究机构的重视。随着PEMFC在汽车等交通工具中的应用，它作为新一代能源技术，会逐渐渗透到社会各行各业乃至普通家庭，其广阔的应用前景甚至可与计算机技术相媲美。但PEMFC过高的成本限制其大规模的推广应用。作为PEMFC关键部件之一的双极板，不仅占据电堆重量的70％-80％，而且在电堆的生产成本中也占据相当大的比例。

双极板的功能在于收集电流并将其从一个电池的阳极传导到下一个电池的阴极，同时在阳极表面均匀地分配燃料气体，在阴极表面均匀分配氧气/空气。除此之外，它还必需有冷却流体通过电堆的通道并保证冷流体和反应物气体分离。导电良好、易于加工流场的石墨类双极板为PEMFC的商业化进程奠定了良好的开端，也是PEMFC广泛采用的极板材料，但其机械强度差、加工成本高使其在PEMFC的工业化应用中缺乏足够的竞争力。复合石墨板、柔性石墨及薄层金属板都是非常有潜力的双极板替换材料，而薄层金属双极板不仅易于实现批量生产、降低电堆成本，能大幅度提高电堆比功率，是最有竞争力的极板材料。金属双极板的最大优点是易于大量生成且厚度可大幅降低(100～300um)，电池堆的比能量和比功率也可因此而大幅提高。然而，PEMFC双极板的两侧分别为湿的氧化剂与湿的还原剂，由于离子体会微量溶解而使电化学反应所生成的水具有微弱酸性，以一般金属材料作为双极板时，会发生轻微腐蚀而导致电极触媒的活性降低。因此，PEMFC金属双极板可以采用一些本身耐腐蚀性能就比较优异的合金体系用作金属双极板材料或在耐蚀性不理想的合金表面进行改性。金板和镍板由于其优异的耐腐蚀性能和低的表面接触电阻而被用于质子交换膜燃料电池的金属双极板，但是其缺点是成本过高，商业化生产有很大困难。

经对现有技术的文献检索发现，(H.Wang et al.)在<<Journal of PowerSources>>(能源杂志)(2004年138期79-85页)上发表的(“Thermallynitrided stainless steel for polymer electrolyte membrane fuel cellbipolar plate Part 2：Beneficial modification of passive layer on AISI446“)(热渗氮不锈钢用作质子交换膜燃料电池2：对AISI446不锈钢钝化膜的有益改性)指出在1100℃渗氮2小时可以显著提高不锈钢的耐腐蚀性能，但是其不足之处在于过高的温度会使经冲压成型的不锈钢双极板产生热变形。

综上所述，金属双极板应用的两大难题-耐蚀性和导电性-仍然亟待解决。因此，开发一种既能提高金属双极板在燃料电池环境下的耐蚀性，又不影响其导电性能的改性方法，对降低双极板的成本和延长其使用寿命显得非常必要，对质子交换膜燃料电池的商业化进程具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板的表面改性方法，使其能够进一步提高金属双极板的耐腐蚀性能、降低金属双极板与气体扩散层(碳纸)的接触电阻，以满足质子交换膜燃料电池的发展要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用离子注入的方法将镍离子注入不锈钢薄板中，在不锈钢薄板表面几十纳米范围内形成注入层，得到改性后的不锈钢双极板。因为注入层为可降低表面接触电阻和提高耐蚀性的富镍层，所以改性后的不锈钢双极板耐腐蚀性提高且接触电阻降低。

所述离子注入，其加速电压为20KeV～60KeV，束流强度为4uA～8uA。

所述离子注入，其真空度为110^-3Pa～3×10^-3Pa。

所述镍离子，其注入剂量范围为5×10¹⁶～5×10¹⁷ions/cm²。

所述注入层，其厚度为50nm～100nm。

所述不锈钢薄板，其厚度为0.1mm～0.2mm。