[发明专利]一种提高质子交换膜燃料电池不锈钢双极板耐蚀性的方法

说明书

本发明公开了一种提高质子交换膜燃料电池不锈钢双极板耐蚀性的方法，包含以下步骤：第一次固溶处理；晶界工程处理；塑性成形；第二次固溶处理；表面处理。本方法通过晶界工程处理和热处理提高不锈钢基体耐蚀性能，再施加常规的表面处理方法，可以形成双重保护，提高不锈钢双极板耐蚀性和使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种提高质子交换膜燃料电池不锈钢双极板耐蚀性的方法，属于燃料电池双极板基材技术领域。

背景技术

双极板是质子交换膜燃料电池核心部件之一，占据了电池组很大一部分的质量和成本，且承担着均匀分配反应气体、传导电流、串联各单电池等功能。为了满足这些功能需要，理想的双极板应具有高的热/电导率、耐蚀性、低密度、良好的力学性能以及低成本、易加工等特点。实现双极板材料的导电性和耐蚀性的合理匹配，即在保证导电性合理的前提下，实现高的耐蚀性，保障整个体系的服役寿命，是燃料电池商业化的关键环节之一。

不锈钢具有高导热性、易加工成型，价格低等特点，并可提高燃料电池输出功率，改善燃料电池热管理，降低燃料电池电堆的成本，是一种极具前途的质子交换膜燃料电池双极板基材。但不锈钢不仅自身电阻较高，而且表面钝化膜及腐蚀产物产生附加电阻，使得与气体扩散层接触时具有较大的接触电阻，会导致燃料电池内阻增加，直接影响电池输出功率和使用寿命。其次，不锈钢在电池环境下耐蚀性较差，腐蚀产物会毒化质子交换膜，降低电池性能和寿命。而使用金、银等贵金属可以提高导电性和耐腐蚀性，但成本较高，不利于商业化生产。

为了进一步提高不锈钢耐蚀性，降低接触电阻，不锈钢双极板需要表面改性。钛和铬等多种过渡金属碳化物和氮化物具有良好的耐蚀性、高电导率和低接触电阻等特性，被广泛应用于金属双极板的表面改性。在金属双极板表面改性领域，一种改性方式是金属碳化物或者氮化物涂层[Sun H, Cooke K, Eitzingeret G, et al. Development of PVDcoatings for PEFMC metallic bipolar plates [J]. Thin Solid Films, 2013,528:199]，对于耐蚀性的提高显而易见，但是孔隙问题尤为严重。另一种改性方式多使用贵金属在双极板表面涂层[Hentall P L, Lakeman J B, Mepsted G O, et al. New materialsfor polymer electrolyte membrane fuel cell current collectors [J]. J PowerSources, 1999, 80(1-2):23]，这种涂层成本极高，不适合批量生产。另AA5052铝合金、SS316、SS304不锈钢、钛在模拟电池环境下的腐蚀电流密℃从大到小的顺序为AA5052铝合金、SS316、SS304，这表明在模拟电池环境下四种金属材料的耐蚀性是不同的，钛最好，AA5052铝合金最差。而在该文中同时也发现这四种金属材料表面镀TiN或者CrN后在模拟电池环境下的腐蚀电流密度从大到小的顺序是AA5052铝合金、SS316、SS304不锈钢、纯钛。可见镀TiN或者CrN前后这些金属材料的耐蚀性的排序是相同的。

孔隙等缺陷是影响金属氮化物或碳化物涂层耐蚀性的主要因素，电解质溶液会通过这些孔隙出现在基体上成为基体腐蚀的渠道。既然孔隙等缺陷是目前表面改性技术尚未完全解决的问题，而且孔隙是电解质溶液接触基体发生基体腐蚀的通道，那么，在当前金属氮化物镀层表面改性技术水平的前提下，增加金属基体自身的耐蚀性就可以提高表面改性后金属的耐蚀性。针对孔隙问题，改变基体的耐蚀性，是改善双极板基体耐蚀性的有效途径。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种通过晶界工程处理提高不锈钢基体耐蚀性能的方法，再施加常规的表面处理，能够提高质子交换膜燃料电池不锈钢双极板耐蚀性。

为实现上述目的，本发明所述的一种提高质子交换膜燃料电池金属双极板的耐蚀性的方法。包括如下步骤：

（1）对不锈钢进行一次固溶处理，保证微观组织与成分的均匀性；