[发明专利]一种带有表面钛钽碳薄膜的燃料电池高性能双极板及其制备方法

说明书

本发明涉及一种带有表面钛钽碳薄膜的燃料电池高性能双极板及其制备方法，属于燃料电池及材料表面改性技术领域。双极板由316L不锈钢或TA1等钛薄板双极板基材及其表面的钛钽纳米晶过渡层，和在最外表面的钛钽碳非晶纳米晶复合薄膜构成；钛钽纳米晶过渡层和钛钽碳非晶纳米晶复合薄膜用新型电弧离子镀膜方法制备，其中镀过渡层前的基材钝化膜去除及表面活化，以及镀最表面复合薄膜前的过渡层中大颗粒等缺陷的去除，均采用等离子体增强放电并辅以气体离子束流的离子溅射加刻蚀的方法进行。该方法制备的双极板具有很高的综合性能，可满足电池电堆超长时寿命运行要求。

技术领域

本发明涉及一种带有表面钛钽碳薄膜的燃料电池高性能双极板及其制备方法，属于燃料电池和金属材料表面改性技术领域。

背景技术

燃料电池能将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，其转化效率高、环境友好、可靠性强，被认为是当今首选的高效的可持续发电技术。在各类燃料电池中，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有启动快、寿命长、比功率高等优点，除适用于地面发电站以外，还特别适合用于可移动动力源和各种便携电源，是新能源汽车的理想电源之一。

双极板是质子交换膜燃料电池的主要部件，占电池重量的70％以上，在电池总成本中也占接近一半，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。金属是理想的质子交换膜燃料电池的双极板材料，但是其主要问题是在电池环境下易发生腐蚀，包括化学腐蚀和电化学腐蚀，其后果不仅是使双极板功能失效，而且还会造成质子交换膜的“毒化”。对金属双极板应用现代表面工程技术进行表面改性处理是解决问题的有效手段。因此，在燃料电池的产业化进程中，针对金属双极板表面改性的研究开发一直是重点公关技术之一，近年来已在表面改性材料和制备工艺上取得了突破性进展。如ZL200810086374.4等技术，用PVD电弧离子镀方法在不锈钢双极板表面沉积碳铬等纳米复合薄膜，使改性后双极板的原始性能中导电性能接近贵金属银，耐蚀性能比不锈钢基体提高2个数量级以上，疏水性能水接触角大于110°，达到了用廉价表面改性材料替代贵金属来制备双极板以大幅度降低成本的目的。

但在近期持续研究发现，经上述技术表面改性处理的双极板在实际装堆累计运行数千小时后，电堆会出现综合性能迅速衰减，输出功率陡降的现象。经系统的分析研究发现，其原因在于双极板表面的改性薄膜不可避免地存在针孔，在长期运行过程中腐蚀介质会逐渐穿过针孔而进入薄膜内部直接接触不锈钢基体表面，从而造成溃疡式腐蚀，如此在导致接触电阻大幅度增加的同时，也会使改性薄膜浮起并崩落，最终使燃料电池电堆过早失效。

因此，目前关于燃料电池双极板所要亟待解决的问题，是如何保障双极板在实际电堆环境中满足超长时限运行的问题，如此必须解决的问题有二，一是如何提高表面改性薄膜的致密度以降低针孔数量的问题，二是如何提高薄膜下双极板基体上表面的耐针孔点蚀性能以保证双极板长时维持高水平综合性能的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能的的质子交换膜燃料电池用双极板及其表面改性薄膜的制备方法，采用本发明的结构和方法制备的双极板，同时具有高指标的耐蚀、导电和疏水等复合性能，并且保障这些初始性能指标在长时服役后下降幅度低于5％，满足在质子交换膜燃料电池中的超高性能运行要求。

本发明的技术构思是，在金属双极板基体与表面改性薄膜之间再增加一层在燃料电池环境下耐点蚀的特殊的防护层，防护层材料依据配位场耐蚀合金设计理论并进行实验验证来确定，最外表面改性材料采用新型碳基纳米复合薄膜，为了增强界面相容性，碳基纳米复合材料的组元成分在保障性能的前提下依据成分友好原则来确定。其中尤为关键的是，该中间防护层和表面改性材料应用附带有大面积气体离子源和热丝等离子体增强放电的电弧离子镀方法来制备，其中应用热丝可发射大量电子以促进等离子体的离化率，会大大提高膜/基界面的“缝合”能力；应用大面积气体离子源，可对各层之间的界面进行离子刻蚀清洗，会大大消除针孔缺陷数量并提高薄膜整体致密程度。