[发明专利]含Nb氮化物表面改性燃料电池不锈钢双极板及制造方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域。特别涉及质子交换膜燃料电池的不锈钢双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、室温快速启动、操作温度低、无污染、无噪音和可靠性高等优点，是移动动力源的理想电源之一。

双极板是质子交换膜燃料电池关键部件之一。传统石墨双极板价格高昂、质脆、气密性差，为了解决上述问题目前国际上主要应用金属板替代传统石墨双极板，以降低成本，并提高电池电堆的体积能量密度和质量能量密度。金属双极板通常采用的材料有铁基合金、铝及其铝合金、钛及其合金等。质子交换膜燃料电池中的质子交换膜为全氟磺酸膜，在电池运行过程中会有微量溶解，使溶液中含有F^-、SO₄^2-、SO₃^2-、CO₃^2-、HSO₄^-和HSO₃^-等离子，并且启动时阴极与阳极电压差最大可达1V，在这样恶劣的操作环境中避免电化学腐蚀是金属双极板应用的首要前提；另一方面在金属表面形成的钝化膜会导致界面接触电阻增大，从而降低电池组的性能和功率输出。为了提高金属双极板的耐腐蚀性能和表面导电率，现有技术主要是对金属双极板进行表面处理或者表面改性。现已公开的技术有关于在金属表面涂覆贵金属、氮化物和氧化物涂层的。其不足是：贵金属涂层因其成本高而不适于生产低成本的电池组。氮化物和氧化物涂层采用PVD、CVD、电镀、热喷涂等方法制备，因其制备工艺固有特征的限制，使生成的涂层存在针孔等缺陷，从而引起涂层点蚀剥落早期失效。同时，还存在涂层与基体结合力不足等问题。现有技术中还有用渗扩方法在双极板表面获得碳化物、氮化物、氮碳化合物和钼氮化物来改善耐腐蚀性和表面导电性的，专利CN200610046735.3公开了在不锈钢表面渗入氮碳等元素，获得表面的扩散碳化物、氮化物和氮碳化合物等的金属双极板；专利CN200910188058.2公开了采用渗扩方法获得钼氮化物的金属双极板，这些双极板具有在质子交换膜燃料电池条件下很好的耐腐蚀性和表面导电性，其不足是长时间极化后，表面导电性会降低。

发明内容

本发明的目的就是提供一种具有优良的导电性和耐蚀性，低成本、易于制造，能够满足质子交换膜燃料电池发展和大规模市场应用要求的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板及其制造方法。

本发明的技术解决方案是：

含Nb氮化物表面改性燃料电池不锈钢双极板，包括奥氏体不锈钢薄板制成的双极板基体及表面改性层，表面改性层包括表层改性层和表面改性层下面的次表层合金化扩散层，其特征在于所述表层改性层为高导电性和耐蚀性的Nb氮化物，次表层合金化扩散层为Nb、N的扩散固溶体层。

本发明所述的含Nb氮化物表面改性燃料电池不锈钢双极板，其特征在于，所述表层改性层为100％Nb氮化物，Nb氮化物为单相NbN、单相Nb₂N和单相Nb₄N₃中的任意一种或上述相的混合物；所述次表层合金化扩散层的Nb、N的扩散固溶体的Nb和N质量浓度从紧邻表层改性层处向不锈钢双极板基体处逐渐降低，紧邻表层改性层处的Nb、N的扩散固溶体的Nb和N质量浓度：Nb为10wt％～90wt％，N为0.1wt％～6.0wt％，不锈钢双极板基体处的Nb和N质量浓度为不锈钢双极板基体的Nb、N含量。

本发明所述的含Nb氮化物表面改性燃料电池不锈钢双极板，其特征在于所述奥氏体不锈钢薄板的合金含量按重量百分比，Cr为15-25％，Ni为5-28％，Mo为0-4％，Mn为0～15％，Ti为0～1％，Cu为0～3％，Nb为0-2％，其余为Fe。

本发明所述的含Nb氮化物表面改性燃料电池不锈钢双极板，，其特征在于，所述奥氏体不锈钢薄板的厚度为0.1～3mm，表层改性层厚度为1～30μm，次表层合金化扩散层的厚度为1～30μm。

本发明所述的含Nb氮化物表面改性燃料电池不锈钢双极板的制造方法，包括将奥氏体不锈钢薄板制备成带有流体流道和通道的半成品双极板和对半成品双极板的表面改性处理，其特征在于所述对半成品双极板的表面改性处理包括以下步骤：