[发明专利]表面镀层的燃料电池金属双极板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池双极板，特别涉及一种表面镀层的燃料电池双极板及其制备方法。

背景技术

燃料电池因其具有高能量转化效、高功率密度、安全、环保等优点而备受各国政府和研究机构的重视，它被认为是一种可缓解资源日益枯竭和环境污染的高效能源装置。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转化率高(40%~60%)、零排放、快速启动和比功率高等优点被认为是用于车载能源、分布式发电站和可携带电源的理想装置。随着PEMFC在汽车等交通工具中的应用，它作为新一代能源技术，会逐渐渗透到社会各行各业乃至普通家庭。然而，燃料电池的使用性能和成本问题极大的阻碍了PEMFC广泛的商业化生产。

双极板是PEMFC中的多功能关键部件，它占PEMFC总重量的80%、几乎全部的体积、PEMFC总成本的10%、材料成本的20%。双极板的功能有支撑膜电极组、收集电流、导通气体和排水等作用。因此，要求双极板材料具有一定的强度、较好的韧性、气体不透过性、较好的表面导电性能和耐腐蚀性能。目前，用于双极板的材料主要包括石墨、金属和炭基复合材料。金属材料由于高强度、易成型和较好的导热性能，在降低燃料电池体积功率比和提高功率密度等方面比其他材料具有明显的优势。但是，金属材料的耐腐蚀性能和表面导电性能还不能满足其作为燃料电池双极板的性能要求。

针对金属双极板在燃料电池工作环境中耐腐蚀性能和表面导电性能不足的问题，采用一定方法在金属双极板表面制备低成本、高导电、耐腐蚀镀层材料以提高其性能和寿命是一种可行的思路。经对现有技术的文献检索发现，(Y.Fu et al.)在《International Journal of Hydrogen Energy》(国际氢能)(2009年34期405ˉ409页)上发表的(“Carbon-based films coated 316L stainless steel as bipolar plate for proton exchange membrane fuel cells”)(镀碳基薄膜的316L不锈钢用作质子交换膜燃料电池双极板)中用脉冲偏压弧离子镀的方法制备了碳基薄膜，指出C-Cr薄膜(即用Cr作掺杂金属)的镀层具有良好的导电性和耐腐蚀性。G.V.达希奇等在发明专利(申请号：200910164680.X)中指出在双极板表面沉积一层具有亲水性，有过渡催化层和金属掺杂的无定形碳涂层，该涂层包括亲水的活化表面。任丽斌等在发明专利(申请号：200610129486.4)中提出了采用氮化铬镀层作为金属双极板的防护镀层，该镀层具有较好的导电、耐腐蚀、抗氧化和耐高温的特性。尽管上述三种方法利用物理气相沉积(PVD)在金属双极板上沉积镀层可以提高双极板的耐腐蚀性能和表面导电性能，但是由于PVD技术的固有缺点，沉积的薄膜通常呈柱状生长，极易产生通孔从而降低耐腐蚀性能。同时，沉积薄膜(尤其是碳膜)与金属基体间存在较大的内应力，从而导致镀层较易剥落。大连化物所的Zhang等在《Journal of Power Sources》(能源杂志)(2011年196期3249ˉ3254页)上发表的(“Arc ion plated Cr/CrN/Cr multilayers on 316L stainless steel asbipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cells”)采用弧离子镀技术在316L不锈钢表面沉积了Cr/CrN/Cr多层膜，结果表明Cr/CrN/Cr多层膜提高了不锈钢的耐腐蚀性能和表面导电性能。相对于CrN镀层材料，类石墨碳膜具有更加优异的导电性能和电化学稳定性，在不锈钢表面沉积类石墨碳膜可以达到结合石墨与不锈钢材料优点的目的。但是，碳材料的溅射率极低(≤0.1)，导致沉积碳膜的时间较长，不利于制备成本的降低。Cr元素溅射率相对较高，在1.0~1.2之间。同时，碳膜与不锈钢基体物理性质相差较大，通常碳膜存在极大的内应力(通常达到GPa级)，导致膜基结合力较差。针对PVD沉积类石墨碳膜沉积时间长、膜基结合差和易产生孔隙等缺点，本专利提出制备C/MeN多层梯度膜，其中Me是指金属元素，主要包括Cr、Ti、Al、Mo等元素中的一种或者两种以上的任何组合。它是以类石墨碳膜和MeN薄膜为主体，在类石墨碳膜和MeN薄膜之间、以及MeN薄膜和不锈钢基体之间以Cr元素为过渡层的具有化学成分梯度的薄膜。该镀层具有较好的膜基结合力、低孔隙率、较短的制备时间和低成本等优点。由此可见，本专利与以上这些研究和专利的主要区别在于镀层的结构和化学成分不同。

发明内容