[发明专利]一种表面改性的质子交换膜燃料电池金属双极板及其表面改性方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池的制备技术，具体的说是一种表面改性的质子交换膜薄层金属双极板及其表面改性方法。

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，以铂/碳或铂-釕/碳为电催化剂，氢气或净化重整气为燃料，空气或氧气为氧化剂，工作温度在60℃-100℃范围内的将燃料和氧化剂的化学能转化为电能的发电装置。它不经过热机过程，不受卡诺循环限制，能量转化率高；环境友好，可实现零排放；启动时间短；体积小，携带方便。正是由于这些突出的优越性，PEMFC的开发与应用已受到世界各国政府与各大公司的重视，PEMFC必将成为二十一世纪首选的清洁、高效的能源。

双极板作为质子交换膜燃料电池的主要部件，双极板占电池重量的70％以上，占电池总成本接近一半，其作用是分隔反应气体、收集电流、将各个单电池串联起来并通过流场为反应气进出电极及水的排出提供通道等。为了满足这些功能，理想的双极板应当是具有很高的导电性、耐腐蚀性、低密度、高机械强度、高阻气能力、低成本、易加工等特性。

双极板主要分为石墨双极板、金属双极板及复合双极板三大类。石墨双极板具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，但石墨的脆性造成了加工困难，因此加工费用较高，同时也限制了石墨双极板厚度的降低。金属具有强度高、加工性能好、导电导热性强、成本低等优点。其中不锈钢强度高，耐腐蚀性能好，是制作质子交换膜燃料电池金属双极板的一种较好材料。但是不锈钢作质子交换膜燃料电池双极板存在着一些不足：1、不锈钢表面能自然形成钝化膜，该钝化膜电阻很大，用作质子交换膜燃料电池双极板会增加电池的内部电阻，从而减少电池能量的输出；2、在质子交换膜燃料电池环境下，不锈钢会发生腐蚀产生铁离子，镍离子等，进而会污染质子交换膜，降低电池性能和寿命。传统上，人们在不锈钢上电镀或化学镀上一层贵金属解决导电性及耐蚀性的问题，如金、铂等。但贵金属价格昂贵、加工成本高、容易产生污染环境的废水。专利02155187：“质子交换膜燃料电池金属双极板”，提出了在基体金属表面涂敷导电耐蚀涂层的方法，涂层为导电耐蚀的金属氧化物。专利号为00105765的专利：“固体高分子型燃料电池用不锈钢双极板”，提出了一种用具有导电性的碳化物系金属夹杂物及硼化物系金属夹杂物中的一种以上从钝化膜下的不锈钢内突出到钝化膜外面的不锈钢制作双极板的技术，以降低接触电阻。李谋诚等(GB 02155187)发明了金属基体表面涂敷导电氧化物的改性方法。复合双极板集中了石墨双极板和金属双极板的优点，但复合双极板加工费用昂贵，且体积、重量较大。综上，双极板研究的重点就是对价格相对低廉的金属薄板进行表面改性，通过表面改性提高金属在燃料电池工作环境下的耐蚀性，又不改变其优良的电性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单易行、成本低的表面改性的质子交换膜燃料电池金属双极板及其表面改性方法。

为了实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

一种表面改性的质子交换膜燃料电池金属双极板，是在金属双极板表面原位生成渗铬层，该渗铬层是在金属双极板上采用渗铬剂渗铬而形成的，其中，渗铬剂成分为金属铬粉40-70wt％，氧化铝10-40wt％，氯化铵10％-20wt％。

在本发明的表面改性的质子交换膜燃料电池金属双极板中，所述金属双极板为0.1～10mm厚的不锈钢板。

在本发明的表面改性的质子交换膜燃料电池金属双极板中，原位生成的渗铬层的厚度为0.5～10μm。

在本发明的表面改性的质子交换膜燃料电池金属双极板的表面改性方法中，该方法是先对金属双极板进行喷丸预处理工艺，随后进行盐浴渗铬处理，该盐浴渗铬处理包括下述步骤：

(1)采用金属铬粉40-70wt％，氧化铝10-40wt％，氯化铵10％-20wt％混匀，配制渗铬剂；

(2)将渗铬剂进行球磨；

(3)在氩气保护气氛下和温度为500-1000℃条件下，采用球磨后的渗铬剂对喷丸预处理后的金属双极板进行渗铬，渗铬后即得到表面改性的质子交换膜燃料电池金属双极板。

表面改性的质子交换膜燃料电池金属双极板的表面改性方法是渗铬的方法，其工艺是：先采用喷丸预处理工艺对金属基体表面进行预处理，随后在氩气保护气氛下进行渗铬。渗铬后金属基体表面原位生成渗铬层。该渗铬层在燃料电池的工作环境下具有优良的耐蚀性及导电性，并且这种原位生成的渗铬层与基体的结合力非常强。改性后的金属双极板，在燃料电池工作环境下表现出优异的耐蚀性及导电性能。