[发明专利]一种质子交换膜燃料电池用金属双极板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及燃料电池双极板制造技术。

背景技术

现有技术中，金属双极板的表面都经过表面改性处理或由两种组份组合构 成，来满足双极板对导电性和耐蚀性的要求。专利号为CN200610125191.X的专 利技术涉及一种质子交换膜燃料电池双极板及其制备方法，双极板由导电陶瓷 和石墨两组分混合后经热压烧结而成，其不足是该双极板的力学性能和导电能 力难以和金属双极板相比。专利号为CN200810086375.9，CN200810086374.4和 CN200810086373.X的专利技术涉及三种金属双极板表面导电陶瓷改性薄膜的 制备方法，其不足是通常导电陶瓷的导电性难以达到很高的水平，而且在燃料 电池环境下的耐腐蚀性能也有待考察。

发明内容

本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池用金属双极板及其表面改 性方法，使金属双极板具有优良的耐腐蚀性能和导电能力。本发明的技术方案 是：一种质子交换膜燃料电池用金属双极板，金属双极板表面有改性层，其特 征在于所述金属双极板表面改性层包括：与金属基板邻接的金属钛中间层和金 属钛中间层上的碳基膜复合层。

本发明所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板，其特征在于所述金 属钛中间层上的碳基膜复合层是碳、碳化钛和金属钛混合的碳基膜复合层。

本发明所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板，其特征在于所述金 属钛中间层上的碳基膜复合层中，碳元素原子百分比占50％～95％，钛元素原子 百分比占5％～50％。

本发明所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板，其特征在于所述金 属钛中间层的厚度在0.2～5微米之间；所述金属钛中间层上的碳基膜复合层的 厚度在0.2～5微米之间。

本发明所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板的制备方法，包括： 对基体金属薄板表面清理和金属薄板表面改性处理，对基体金属薄板表面清理 包括清除基体金属薄板表面的钝化膜和杂质，其特征在于所述金属双极板表面 改性处理层的处理方法包括用电弧离子镀和多靶磁控溅射方法，但不限于上述 方法，在金属薄板表面沉积金属钛中间层，再在金属钛中间层上沉积碳基膜复 合层。

本发明所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板的制备方法，其特征 在于所述在金属钛中间层上沉积碳基膜复合层是在沉积真空室内对金属双极板 的金属钛中间层同时进行钛靶和碳靶反应磁控溅射：钛靶40W功率，0.25KV电 压，0.20A电流下工作；碳靶80W功率，0.25KV电压，0.40A电流下工作；时 间30min。

本发明所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板的制备方法，其特征 在于所述在金属钛中间层上沉积碳基膜复合层时，伴有碳和钛的反应，生成碳 化钛。

本发明具有如下优点：双极板的表面改性层材料以碳为主。碳是PEMFC中 应用最广泛的材料，催化剂载体、扩散层和传统的纯石墨双极板，用的都是碳 材料，碳在PEMFC中的稳定性已经被广泛证实。而且，双极板表面碳膜与扩散 层碳纸为同一材质，接触电阻有望降到非常低的程度。使双极板具有优良的导 电性能，可以显著降低质子交换膜燃料电池的内阻，提高电池输出性能。

其次，表面碳层中的TiC有助于增强碳基膜与钛中间层间的结合力。TiC是 在钛中间层的基础上，在表面碳膜的沉积过程中通过反应生成的。因此TiC与 钛层间有很好的结合，而且对碳有“铆钉”作用，使表面碳层不易脱落。TiC具有 耐高温、抗氧化、强度高、导热性良好等优异性能。TiC优良的导电性和在模拟 PEMFC环境下的耐腐蚀性能已经被证实。因此，碳基膜中的少量TiC可以显著 增强复合结构薄膜的稳定性而不影响使用性能。

第三，以具有一定厚度的金属钛作为中间层。钛本身具有很强的耐强酸和 强碱腐蚀的能力。研究表明，采用耐腐蚀的中间层材料可以提高整个双极板的 耐腐蚀性能。钛夺取氧的能力很强，在钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物 保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出强的抗腐蚀性。因此，即使表 层碳基薄膜受到破坏，露出的钛也会自然生成保护膜，防止腐蚀进一步发生。 具有有多层保护作用，保护层可以互相弥补，从而显著延长双极板的使用寿命。

第四，材料成本低廉，有助于降低整个燃料电池系统的成本，提高整体竞 争力。

附图说明