[发明专利]质子交换膜燃料电池不锈钢双极板及改性方法

说明书

技术领域

本发明是对质子交换膜燃料电池金属双极板表面性能的改进，尤其涉及一种采用化学镀方法获得的表面有Ni-Cu-P镀层的不锈钢双极板，及表面改性方法。

背景技术

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)关键部件之一，成本占燃料电池总成本的46％以上，是造成质子交换膜燃料电池价格高昂的重要原因之一，并且质量优劣直接决定燃料电池堆输出功率大小和使用寿命长短。

不锈钢具有高导热性、易加工成型，价格低等特点，并可提高燃料电池输出功率，改善燃料电池热管理，降低燃料电池电堆成本，是一种极具前途的质子交换膜燃料电池双极板基材。但不锈钢不仅自身电阻较高，而且表面钝化膜及腐蚀产物产生附加电阻，使得与气体扩散层接触时具有较大的接触电阻，会导致燃料电池内阻增加，直接影响电池输出功率和使用寿命。其次，不锈钢在电池环境下耐蚀性较差，腐蚀产物会毒化质子交换膜，降低电池性能和寿命。而使用金、银等贵金属可以提高导电性和耐腐蚀性，但成本较高，不利于商业化生产。为此人们采取对已成型的不锈钢双极板进行表面处理，以克服上述不足。例如：

美国专利US7.247.403B2公开的质子交换膜燃料电池双极板，在不锈钢表面进行含铬氮化处理，形成氮化铬系列改性层，从而获得较低接触电阻和好的耐蚀性。然而该方法需在800℃到1200℃氮化处理，一是处理成本高，二是如此高温极能使薄的不锈钢双极板(厚度通常仅为0.1mm)发生变形，进而影响双极板的平整性和使用效果，造成与扩散层接触不良，同样会增加接触电阻。

美国专利US2008/0038619A1公开的燃料电池用双极板，用0.1mm不锈钢薄板与厚度为5～20nm贵金属薄膜如Au、Pt等复合，得到具有低接触电阻双极板，满足电池输出能量要求。然而采用贵金属复合会使双极板成本有较大提高，不利于商业化推广和应用。

日本专利(JP-A)11-121018公开了在不锈钢双极板表面沉积碳粒子，以降低双极板与气体扩散层的接触电阻。沉积碳粒子与不锈钢结合力不强，不仅会因使用过程中振动引起的摩擦造成碳粒子脱落，而且沉积碳粒子对提高耐蚀性作用不明显。

中国专利CN1776946公开了一种表面改性不锈钢用作质子交换膜燃料电池双极板制备方法，通过采用热处理和表面涂敷银盐技术，在不锈钢表面形成碳化铬和银等导电、耐腐蚀颗粒作为导电网络，进而采用电化学或化学钝化技术，把上述导电网络之间不用导电部分钝化，得到既导电又耐腐蚀的不锈钢双极板。不仅其工序复杂，而且需要进行高温处理，会导致超薄的不锈钢双极板表面凹凸不平，客观上难以整平，会对电堆组装均匀性带来不利影响，此法难以商业化应用。

中国专利CN101092688公开的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板，通过离子镀膜在其表面溅射沉积铬镍、氮化铬或掺杂金属铬的类金刚石改性镀膜，使双极板同时具有耐蚀、导电、强化和不亲水等复合性能。离子镀膜对设备要求较高，需专用电弧离子镀设备，工艺工序较多且复杂，同样造成改性成本大。

中国专利CN101289755公开的PEMFC不锈钢双极板表面改性方法，将PTFE乳液与表面活性剂均匀混合后，加入无氰化物镀银溶液中，采用电镀方式在不锈钢双极板上电沉积、结合力好、致密耐腐蚀、导电性强的银-PTFE复合镀层，提高不锈钢双极板在PEMFC工作环境下的性能。但银系贵重金属，镀银会导致双极板成本有较大的增加，同样不利于商业化推广和应用。

中国专利CN101136479公开的质子交换膜燃料电池用双极板，以铝合金为基材，采用碱性和酸性双溶液体系化学镀镍磷合金方法，对双极板进行表面改性。耐蚀性能优于316不锈钢，3mm厚双极板体积电阻率为8～10μΩ.cm，与纯镍相当，是316不锈钢1/10～1/7，石墨板1/20～1/15。但该方法除进行浸锌处理外，还需进行碱性和酸性双溶液体系化学镀镍磷合金才能获得所需镀层，制备工序多，导致改性成本较高，此外铝合金为基材厚度大，会造成组装电堆体积比功率下降，并且镍磷镀层较传统镀贵金属效果有一定差距。

虽然上述提出的各种对不锈钢或金属极板进行表面改性，都能在一定程度上克服纯金属极板接触电阻及耐蚀性的不足，但它们仍然存在各自的缺点，均未能同时达到低成本高性能改性。因此仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种不仅制备成本低，方法简单，而且能获得接近镀贵金属性能的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板。

本发明另一目的在于提供一种上述不锈钢金属双极板的改性方法。