[发明专利]一种质子交换膜燃料电池双极板的制作方法

说明书

[技术领域]

本发明涉及燃料电池技术领域，具体的说是一种质子交换膜燃料电池双极板的制作方法。

[背景技术]

双极板材料应具有良好的导电性和化学稳定性，以及高机械强度和低渗透性。石墨材料具有优良的电导性和热导性、较好的耐腐蚀性和热膨胀系数低等优点。传统的石墨双极板的制备一般采用石墨粉、粉碎的焦碳和可石墨化的树脂或沥青混合，经过严格的升温程序得到无孔石墨板，再通过机械加工或者电脑刻绘沟槽以得到流场。但石墨材料的脆性造成了相当大的加工难度，限制了整个双极板厚度的降低，一般厚度不小于3mm，并且制备工艺复杂、耗时、费用高，在制造过程中容易产生气泡，使燃料和氧化剂相互渗透，从而降低了燃料电池性能，难以实现批量生产。

美国橡树岭(oak ridge)国家实验室采用低成本泥浆模塑法制备片状石墨纤维预塑件，然后用化学气相渗透碳密封，得到气密性优良的双极板，并且有较高的电导率(200～300s/cm)，同时密度小，质量轻，双轴弯曲强度为(175±26)MPa，电池检测表明电池阻力小，效率高。

金属材料导电性能优异、导热性能好、机械强度高、气密性好且易于加工。铝、钛、镍、不锈钢等都是制造双极板的金属材料。

增强抗腐蚀能力和减小接触电阻是金属材料需要解决的两大难题。由于燃料电池工作环境呈弱酸性，金属很容易被腐蚀或溶解，尤其是金属板被溶解后产生的金属离子就会扩散到质子交换膜，增加了双极板的电阻，甚至使得膜电极“中毒”.从而导致电池失效。若直接采用耐腐蚀的金属或合金(如钛、不锈钢等)，虽然抗腐蚀性增强，但其表面生成的钝化层为电绝缘体，这使得极板的接触电阻增大。

对金属进行表面改性处理，比较有效的解决方案是在金属双极板的表面覆盖一层防护层。该防护层必须抗氧化、耐腐蚀、导电性能较好。防护层分为两类：一类是金属，如贵金属、金属碳化物、金属氧化物；另一类是以碳为主体的材料，如石墨、导电性聚合物。目前，金属板的表面改性主要有以下几种方法：

电镀或化学镀贵金属(如铂、银)或其氧化物具有良好的导电性能的金属(如银、铅、锡等)；

磁控溅射贵金属(如铂、银)和导电化合物(如TiN等)；

采用丝网印刷和焙烧，即类似用于氯碱工业RuOx/Ti阳极制备方法.制备导电复合氧化物涂层。

大连海事大学材料工艺研究所和长春工业大学基础科学学院用厚度为2mm的AISI 304不锈钢作为基体，通过以下工艺流程：304不锈钢基体→电镀硬铬(厚度约10mm)→离子氮化(氮化温度为580℃，氮化时间为7h)所制备的双极板经测定耐腐蚀性能提高，接触电阻明显低于基体，电性能得到提高。

[发明内容]

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、具有高电导率、高热导率、质量轻的质子交换膜燃料电池双极板的制作方法。

为实现上述目的，设计一种质子交换膜燃料电池双极板的制作方法，其特征在于具体工艺步骤如下：a.按照工艺要求，制作模具；b.选取金属钨、钼、镍、铜混合，混合后在高温下烧结成型；c.将上述金属混合材料转入模具中；d.进行表面处理；e.取Li2co3和镍、锰混合后，在高温下煅烧若干小时，冷却，得到复合过渡金属氧化层；f.通过化学沉积法在双极板表面形成复合过渡金属氧化层；g.在温室和大气压下干燥；h.热处理。

本发明与现有技术相比，具有高电导率、高热导率、质量轻、耐高温、高强度、高度耐腐蚀和化学稳定性高，是一种快速、高效、低成本、可批量成产双极板的制作工艺。

[具体实施方式]

质子交换膜燃料电池双极板的制作方法，具体工艺步骤如下：a.按照工艺要求，制作模具；b.选取金属钨、钼、镍、铜混合，混合后在高温下烧结成型；c.将上述金属混合材料转入模具中；d.进行表面处理；e.取Li2co3和镍、锰混合后，在高温下煅烧若干小时，冷却，得到复合过渡金属氧化层；f.通过化学沉积法在双极板表面形成复合过渡金属氧化层；g.在温室和大气压下干燥；h.热处理。