[发明专利]Nb碳化物表面改性燃料电池不锈钢双极板及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及质子交换膜燃料电池的不锈钢双极板。

背景技术

双极板是质子交换膜燃料电池关键部件之一。金属双极板通常采用的材料有铁基合金、铝及其铝合金、钛及其合金等。但是，金属双极板的主要问题是在质子交换膜燃料电池工作环境下易发生腐蚀，其后果不仅使双极板功能失效，而且还会造成质子交换膜的“毒化”，同时其导电性能也由于表面腐蚀而下降，从而降低电池组的性能和功率输出。为了提高金属双极板的表面导电率和耐腐蚀性能，现有技术主要是对金属双极板进行表面处理或者表面改性。现已公开的技术有关于在金属表面涂覆贵金属、氮化物和氧化物涂层的。其不足是：贵金属涂层因其成本高而不适于生产低成本的电池组。氮化物和碳化物涂层采用PVD、CVD、电镀、热喷涂等方法制备，因其制备工艺固有特征的限制，使生成的涂层存在针孔等缺陷，从而引起涂层点蚀剥落早期失效。同时，还存在涂层与基体结合力不足等问题。现有技术中还有用渗扩方法在双极板表面获得碳化物、氮化物、氮碳化合物和钼氮化物来改善耐腐蚀性和表面导电性的，专利CN200610046735.3公开了在不锈钢表面渗入氮碳等元素，获得表面的扩散碳化物、氮化物和氮碳化合物等的不锈钢金属双极板；专利CN200910188058.2公开了采用渗扩方法在不锈钢表面获得钼氮化物的金属双极板，专利CN200710051303.6公开了采用渗扩方法在钛及其合金表面获得氮化钛的轻金属双极板，这些双极板具有在质子交换膜燃料电池条件下很好的耐腐蚀性和表面导电性，其不足是长时间极化后，表面导电性会有所降低。

进一步提高双极板的导电性能和耐腐蚀能力，是质子交换膜燃料电池领域一直在探索的共性技术问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种具有优良的导电性和耐蚀性，低成本、易于制造，能够满足质子交换膜燃料电池发展和大规模市场应用要求的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板及其制造方法。

本发明的技术解决方案是：一种Nb碳化物表面改性燃料电池不锈钢双极板，包括奥氏体不锈钢薄板制成的双极板基体(3)、位于双极板基体表面的表层改性层和介于表层改性层和双极板基体之间的次表层合金化扩散层；其特征在于，所述表层改性层为Nb碳化物层，次表层合金化扩散层为Nb、C的扩散固溶体层。

本发明所述的一种Nb碳化物表面改性燃料电池不锈钢双极板，其特征在于，所述表层改性层为100％Nb碳化物，Nb碳化物为单相NbC和单相Nb2C中的任意一种或上述相的混合物；所述次表层合金化扩散层的Nb、C的扩散固溶体的Nb和C质量浓度从紧邻表层改性层处向不锈钢双极板基体处逐渐降低，紧邻表层改性层处的Nb、C的扩散固溶体的Nb和C质量浓度为：Nb为10wt％～90wt％，C为0.1wt％～6.0wt％，不锈钢双极板基体处的Nb和C质量浓度为不锈钢双极板基体的Nb、C含量。

本发明的一种Nb碳化物表面改性燃料电池不锈钢双极板，其特征在于所述奥氏体不锈钢薄板制成的双极板基体的合金含量按重量百分比，Cr为15-25％，Ni为5-28％，Mo为0-4％，Mn为0～15％，Ti为0～1％，Cu为0～3％，Nb为0-2％，其余为Fe。

本发明所述的一种Nb碳化物表面改性燃料电池不锈钢双极板，其特征在于，所述奥氏体不锈钢薄板制成的双极板基体的厚度为0.1～3mm，表层改性层厚度为1～20μm，次表层合金化扩散层的厚度为0.1～30μm。

本发明所述的一种Nb碳化物表面改性燃料电池不锈钢双极板的制造方法，包括将奥氏体不锈钢薄板制备成带有流体流道和通道的半成品双极板和对半成品双极板的表面改性处理，对半成品双极板的表面改性处理包括；将半成品双极板置于含Nb等离子气氛的密封体内，在含Nb等离子气氛中对半成品双极板施加500-950V直流或脉冲直流电压，在温度800～1150℃下，处理0.5～8小时，获得高Nb的合金化层，所述含Nb等离子气氛是：将金属Nb源置于密封体内，向Nb源施加600-900V直流电压，电流密度为0.1～15mA/cm²，密封体内工作气压为0.01～2kPa，用氢气H₂或氩气Ar轰击金属Nb源获得的含Nb等离子气氛，其特征在于所述对半成品双极板的表面改性处理还包括以下步骤：