[发明专利]质子交换膜燃料电池金属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极板表面改性方法，特别是一种质子交换膜燃料电池316L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)是以全氟磺酸型固态聚合物膜为电解质、氢气或净化重整气为燃料、空气或氧气为氧化剂的燃料电池，其电极反应与其它酸性电解质燃料电池相似。在催化剂的作用下，氢气在催化剂的作用下在阳极发生反应生成电子和氢离子，该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子经过电解质膜到达阴极，氧气与氢离子及电子在阴极发生反生成水，生成的水大部分以游离态存在，通常经尾气排出。

PEMFC除具有燃料电池的一般特点如能量转化效率高、环境友好外，还具有室温快速启动、无电解液流失、寿命长、比功率与比能量高等突出特点。因此，它不仅可用于建设分散电站，也特别适用于可移动动力源，在未来的以氢为主要能量载体的氢能时代，它是最佳的家庭动力源。

双极板是燃料电池的关键部件之一，它一般包括极板和流场。传统双极板使用石墨作为材料，但是石墨价格高，而且由于其脆性，石墨难于快速批量加工，也不能做得很薄，严重增加了燃料电池的体积与重量，降低了功率密度。而相比于石墨板，金属板价格较低，机械强度大，加工成型性好，可以做得更薄，大大减小了燃料电池的体积与重量，提高了功率密度，因此成为最有发展潜力的双极板制造材料。但未经处理的金属板在电池环境下易发生腐蚀，而且生成的金属离子进入质子交换膜内会降低质子通过能力而严重影响电池性能，同时降低了双极板和质子交换膜的使用寿命。金属表面产生的氧化膜具有较大的电阻率，也会极大提高燃料电池的内阻，降低功率与效率。因此金属板必须进行表面保护处理。

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 Power Sources》(能源杂志)(2004年138期79-85页)上发表的“Thermally nitrided stainless steel for polymer electrolyte membrane fuel cell bipolar 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。

此外，Yan Wang等在《Journal of Power Sources》(能源杂志)(2007年165期293-298页)上发表的“An investigation into TiN-coated 316L stainless steel as a bipolar plate material for PEM fuel cells”(关于TiN镀层改性316L不锈钢用作PFMFC双极板材料的研究)研究了TiN镀层对不锈钢用在燃料电池中的性能。虽然其腐蚀电势向正向移动了，并且钝化电流有所降低，但是TiN镀层具有一定的涂层缺陷，从长期工作环境来看，防腐蚀性能有限。

综上所述，金属双极板应用的两大难题—耐蚀性和导电性—仍然妨碍着其商业化生产的进程。因此，采用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。

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，对于由表面改性层和基体不锈钢构成的双极板，本发明采用高能离子注入的方法将铜元素注入到不锈钢薄板中，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表面合金化层，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10～60KeV，束流强度为1μA～10μA。