[发明专利]一种燃料电池用双极板及其表面氮铬薄膜制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池用的双极板及其制备技术。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)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21世纪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 MembraneFuel 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，是电动车和其它交通工具甚至是武器载运的理想电源之一，因此质子交换膜燃料电池的发展对整个新能源技术领域的发展具有举足轻重的作用。

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。为了满足这些功能，双极板应当具有很高的导电性、耐腐蚀性、低密度、高机械强度、高阻气能力、低成本和易加工等特性。质子交换膜燃料电池的双极板材料主要有三类：石墨类双极板、金属双极板和复合材料双极板。石墨经高温处理后导电性好、耐腐蚀，在质子交换膜燃料电池发展初期得到广泛应用。但该类材料加工成本过高，且无法实现薄片化，无法实现商品化应用。以碳粉和树脂为主料，经模压等方法可大批量制备出低成本的双极板材料，但导电性和阻气能力有待提高。

金属是理想的质子交换膜燃料电池的双极板材料，它具有高的强度和好的导电、导热性能，而且储量丰富，易加工，适于批量生产，可降低厚度来提高功率密度，具有降低双极板成本的巨大潜力；此外，金属还可以防止水腔中冷却剂向电池两极的扩散，尤其适用于可低温启动的燃料电池系统。所以金属被认为是质子交换膜燃料电池实现产业化的必然选择。但是，金属的主要问题是在质子交换膜燃料电池环境下易发生腐蚀，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”，同时其导电性能也由于表面腐蚀而下降，使输出功率迅速降低；通过合金化等方式可提高金属的耐蚀性，但往往又带来了其导电性的降低，一般情况下材料耐腐蚀能力和导电性能是矛盾的两方面，当材料的耐蚀能力强时(如某些金属氧化物等)，其导电能力就比较差，而导电能力好的材料，其腐蚀过程就比较活跃，亦即在同一材料中不易兼得导电和耐蚀性能；一些贵金属(比如金、银等)可一定程度缓解这种矛盾，但直接使用贵金属会带来材料成本的大大提高。此外一般金属表面都具有天然的亲水性，由此而造成双极板流场的堵塞也是致使双极板运行稳定性下降的主要问题之一。

对金属在保留基材具有一般的金属性能基础上，再对其表面进行改性处理是解决问题的有效手段。因此，近年来通过金属改性提高金属双极板耐腐蚀性能和导电能力的研究成为本领域的热点，国内外多家研究所、各大汽车公司，都在开展相关工作。如美国Oak Ridge国家实验室通过基体材料选择，发现镍铬合金性能较好，然后对镍铬合金进行高温氮化处理，在PEMFC环境下表现出良好的导电能力和耐腐蚀性能，但是还是存在材料成本偏高及工艺复杂、处理能耗过大等问题。

用不锈钢代替稀缺金属及其合金作为双极板具有低成本的优势，但不锈钢表面固有存在着一层钝化膜，虽然对提高耐蚀性能起到积极作用，但却大大增加了双极板的接触电阻，以至于电池在运行过程中发热、功率降低和腐蚀加速，所以不锈钢若用作双极板必须要进行表面改性处理。ZL200410082726.0用电化学合成技术在不锈钢表面电聚合导电聚合物膜，在耐蚀性能提高方面取得了很好的效果，但在降低接触电阻方面还有待提高；ZL200510119646.2用化学酸洗法去除不锈钢表面的钝化膜，用热处理的方法提高不锈钢表面的铬含量再辅以渗银工艺来提高双极板的导电性，其有益效果是较未处理不锈钢的接触电阻降低了一个数量级，而后又采用钝化技术对不导电部分进行钝化来提高耐蚀性能，在一定程度上解决了耐蚀和导电性之间的矛盾问题。

目前，如何进一步提高双极板的导电性能和耐蚀能力以及其它相关性能，是质子交换膜燃料电池领域所面临的急待解决的共性问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本的、原材料耗量低的、高质量的、易于批量生产的质子交换膜燃料电池用双极板及其表面氮铬薄膜制备方法。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、强化和疏水等复合性能，满足在质子交换膜燃料电池中的长时运行要求。