[发明专利]一种用于质子交换膜燃料电池双极板的钛合金

说明书

一种用于质子交换膜燃料电池双极板的钛合金，本发明属于新能源汽车及燃料电池领域，具体涉及一种用于质子交换膜燃料电池双极板的钛合金。本发明要解决现有的纯钛、钛合金在燃料电池环境下，耐蚀性不能满足质子交换膜燃料电池的寿命要求问题。该钛合金成分符合如下形式：Ti‑X‑Z，以纯钛为原料，X和Z作为添加元素；其中X选自Co和Ni中的至少一种；Z选自Cr、Mo、Nb、Ta和V中的至多四种；钛合金中X元素的总含量为0.1％～0.6％，Z元素的总含量为0.02～0.4％，余量为Ti和其他不可避免的杂质元素组成。本发明用于质子交换膜燃料电池双极板，可显著提高电池使用寿命，在新能源汽车等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于新能源汽车及燃料电池领域，具体涉及一种用于质子交换膜燃料电池双极板的钛合金。

背景技术

质子交换膜燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，只会产生水，对环境无任何污染，是一种理想的新能源汽车动力源。目前，日本、美国、韩国、德国、中国等国家都在大力发展质子交换膜燃料电池汽车。与传统汽车相比，质子交换膜燃料电池车能量转化效率高达60～80％，为内燃机的2～3倍，生成物是清洁的水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出，因此，质子交换膜燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的汽车。

金属双极板是新能源汽车用质子交换膜燃料电池的关键部件，占燃料电池重量的一半以上。目前，美国、欧洲、韩国、中国等国新能源汽车用质子交换膜燃料电池多采用不锈钢做双极板，但使用寿命难以超过5000小时，主要是耐腐蚀性能达不到要求，超过耐腐蚀极限，燃料电池就会报废，严重影响燃料电池耐久性和寿命。如果更换电池也会极大增加使用成本，这造成燃料电池难以满足汽车使用要求，这也是目前质子交换膜燃料电池作为动力源的新能源汽车难以普及的重要原因之一。

常用的改善燃料电池双极板耐腐蚀性的方法是对不锈钢、纯钛或现有牌号钛合金等金属双极板材料的进行表面处理，如采用电镀、化学镀、物理气相沉积(PVD)、磁控溅射离子镀等方法在双极板材料表面制备出一层耐腐蚀导电层。组装成燃料电池后，双极板表面的这层表面处理层会与燃料电池电解液直接接触，以隔断双极板材料本体与电解液的接触，近而提高了双极板的耐蚀性。但这种表面处理技术不能改变双极板材料本体的耐蚀性，燃料电池长时间工作后，表面处理层会出现局部脱落，导致燃料电池电解液直接与双极板材料本体接触，这时候双极板材料本体耐蚀性优劣会成为影响燃料电池耐久性和寿命的关键因素，但是表面处理技术不涉及双极板材料本体性能的改善，不能从根本上解决双极板的耐蚀性问题。另外，表面处理技术只能改善双极板表面的导电性(一般测量接触电阻)，不能提高双极板材料本体的导电性，这也限制了双极板综合性能的改善。因此，单一从表面处理的角度来改善双极板的耐蚀性和导电性有很大的局限性，必须从双极板材料本体的角度改善耐蚀性(导电性要满足双极板要求)，才能真正提高燃料电池的耐久性和寿命，以满足燃料电池长时间工作的需要，近而满足新能源汽车对燃料电池寿命的要求。现有技术CN201310116099.7公开了一种燃料电池双极板的表面镀层制备方法，这是一种表面带有导电耐蚀掺杂型C/CrN多层梯度镀层的质子交换膜燃料电池金属双极板，该掺杂型C/CrN多层梯度镀层包括从金属双极板表面向上依次设置的Cr过渡层、掺杂的氮化铬(CrN)镀层、掺杂的铬碳氮过渡层和掺杂的类石墨碳镀层，通过多层梯度镀层来提高其一定的耐蚀性，但该专利是单一从表面处理的角度来提高双极板的耐蚀性，没有涉及到双极板材料本体耐蚀性和导电性的改善，作为质子交换膜燃料电池主要部件的金属双极板，在其表层进行镀覆的耐蚀能力时效有限，该专利与本专利涉及到的技术也明显不是同一类型技术。

钛合金由于其比重小、耐腐蚀性能优异的特点，非常适用于车用质子交换膜燃料电池的金属双极板，采用钛合金作为燃料电池双极板，由于耐蚀性明显高于不锈钢，会使质子交换膜燃料电池的寿命显著增加，可以更好地满足汽车整车使用寿命的要求。但是，目前还没有针对质子交换膜燃料电池双极板材料的钛合金牌号，现有的纯钛、钛合金在燃料电池的含F-离子的硫酸溶液环境下，耐蚀性还不能满足质子交换膜燃料电池的寿命要求。

发明内容