[发明专利]Fe-Ni-Cr合金燃料电池双极板的制作方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种Fe-Ni-Cr合金燃料电池双极板的制作方法。

背景技术

质子膜燃料电池具有清洁、高效、可移动、操作条件温和等特点，在交通运输、航空航天及电子通讯等领域具有重要的应用价值。双极板是将单电池串联起来的极板材料，需要满足多方面的性能要求，包括良好的导电性、优良的耐腐蚀性(包括酸性腐蚀、氧化潮湿腐蚀、电极电位腐蚀)、良好的气密性、足够的机械强度、较低的密度及相对低廉的成本。

目前使用的双极板材料为石墨，这主要基于石墨良好的导电性及耐腐蚀性、抗氧化性等。但由于石墨机械性能较差，因此流道机加工困难，需用复杂的工艺措施解决介质渗透等问题，导致石墨双极板的加工价格很高(占燃料电池成本的40-60％)，成为燃料电池研发中急待解决的问题。

利用金属材料制备双极板的主要出发点在于：金属材料具有良好的塑性，流场可直接冲压成型，因此也有望大幅度降低加工成本，同时金属可轧制成0.1-0.2mm的片材，有望获得高比功率，最大限度压缩体积。另外金属材料导电导热性好，气密性好，机械强度高。但金属材料最致命的弱点是耐腐蚀性差，如何提高金属材料的耐腐蚀性是首先需要解决的问题。

不同的金属材质，解决耐腐蚀性的方法不同。研究最多的是铁基合金，这主要是因为铁价格低廉。但铁表面接触电阻大，同时铁离子对电池液的污染导致电池性能与寿命下降。因而对铁基金属板进行表面处理是其广泛应用的关键。目前已研究报道的铁基表面改性技术包括：(1)镀贵金属：虽然镀金、银等贵金属能显著改善铁基合金性能，满足PEMFC要求，但其高昂的价格很难使PEMFC进入商业市场。(2)镀过渡金属化合物：过渡金属碳化物、过渡金属氮化物和过渡金属硼化物不仅有良好的耐蚀性，有些化合物的导电性甚至与金属相当。Philip发现涂覆TiN涂层后的316不锈钢接触电阻与镀金板和石墨板接近，但Robert等测试模拟PEMFC环境中TiN改性316L不锈钢时，却发现TiN涂层易从基体表面脱落。大连铁道学院对不锈钢表面沉积TiN、CrC的大量实验中也发现：虽然改性后基体的耐腐蚀性得到提高，但在燃料电池中的寿命却很短。大连化物所也探索了在铁基表面沉积碳膜，虽然耐蚀性有了一定的改善，但在电池中长期运行时，碳膜易脱落。(3)多层膜的制备：上海大学李谋成等发明了在铁基表面制备三层膜进行表面改性的专利，内层和外层为SnO₂、IrO₂，中间层为Cr或Mo，涂层厚度为0.1-50μm，获得了满意的耐蚀效果，但同样价格不菲。

到目前为止，各种基体上的涂层技术并不成熟，特别是在降低成本方面，铁基表面的涂层还不能完全满足燃料电池运行的要求。这主要是由于所制备的涂层都是通过PVD或CVD等手段沉积上去的，存在一定的表面缺陷。另外，镀膜过程中一定的加温，也对后续加工处理不利，如二片焊合的双极板材料在镀膜过程中是否产生变形或焊缝开裂，目前还存在问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种Fe-Ni-Cr合金燃料电池双极板的制作方法，该方法制备的燃料电池双极板不仅具有优异的耐腐蚀性，而且具有良好的导电性，同时制作工艺简单。

为解决本发明提出的技术问题，本发明所采用的技术方案是：Fe-Ni-Cr合金燃料电池双极板的制作方法，其特征在于它包括如下步骤：

(1)合金组分选择与熔炼：按照Fe组分含量为x(原子百分数)、Ni组分含量为y(原子百分数)、Cr组分含量为z(原子百分数)配料，其中x＝37～39％，y＝32～34％，z＝28～30％，且x+y+z＝100％，利用真空感应熔炼FexNiyCrz合金；

(2)金属板成型加工：按照常规方法将FexNiyCrz合金加工成具有流场的金属板；

(3)表面化学处理：将步骤(2)得到的具有流场的金属板在20～30℃放入体积浓度为45％～50％的HF水溶液中浸泡处理7～9min，取出，清洗，烘干，得到Fe-Ni-Cr合金燃料电池双极板。

按上述方案，步骤(3)所述HF溶液中HF的体积浓度为47％，浸泡处理时间为8min。