[发明专利]一种含钨改性层的燃料电池金属双极板及其制造方法

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金属双极板的表面改性技术。

背景技术

双极板是质子交换膜燃料电池关键部件之一，现有技术的金属双极板在质子交换膜燃料电池环境中易发生电化学腐蚀；金属表面形成的钝化膜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。因此，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进行表面处理或者表面改性。现已公开的技术仅有关于在金属表面涂覆贵金属、氮化物、碳化物和氧化物涂层的报道。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、碳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。

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金属双极板及其制造方法。

本发明的技术解决方案是：一种含钨改性层的燃料电池金属双极板，由铁基合金奥氏体不锈钢薄板制成的双极板基体及表面改性层组成，其特征在于，所述表面改性层包括表层高导电性和耐蚀性的纯钨层和介于纯钨层(1)和双极板基体之间的次表层的钨扩散固溶体层。

本发明所述的一种含钨改性层的燃料电池金属双极板，其特征在于，所述纯钨层为100％钨；所述钨扩散固溶体层钨的质量浓度从紧邻纯钨层处向双极板基体处逐渐降低，紧邻纯钨层处钨的质量浓度为10-100wt％，双极板基体处钨的质量浓度为双极板基体的钨含量。

本发明所述的一种含钨改性层的燃料电池金属双极板，其特征在于，所述双极板基体材料为铁基合金奥氏体不锈钢，其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。

本发明所述的一种含钨改性层的燃料电池金属双极板，其特征在于，所述双极板基体的厚度为0.1-1mm，纯钨层厚度为0.1-10μm，钨扩散固溶体层的厚度为1-30μm。

本发明所述的一种含钨改性层的燃料电池金属双极板的制造方法，包括将铁基合金奥氏体不锈钢薄板经模压或冲压出进出气体流场通道，制成双极板半成品；将双极板半成品置于等离子气氛的密封体内进行表面处理，其特征在于，所述将双极板半成品置于等离子气氛的密封体内进行表面处理是在含钨等离子气氛中对双极板半成品施加350-550V直流或脉冲直流电压，在温度700-1150℃下，处理0.3-8小时，获得表面改性层。

本发明所述的含钨改性层的燃料电池金属双极板的制造方法，其特征在于，所述的含钨等离子气氛由下述方法获得：将金属钨源置于密封体内，向钨源施加600-900V脉冲直流电压，电流密度为0.1-15mA/cm²，氩气Ar作为工作气体，工作气压为0.01-2kPa，用氩气轰击钨源获得含钨等离子气氛。

本发明的优点在于：采用低成本的高导电性和耐蚀性的含钨改性层可大幅降低成本；改性层与基体之间的结合为冶金结合，不会产生腐蚀剥落失效；制造方法简单，可批量生产，从而提高电池组的质量比功率和体积比功率；本发明易于实施，用该技术处理的金属双极板生产的低成本质子交换膜燃料电池可用于大规模燃料电池生产。

附图说明

本发明共有附图二幅，其中

图1是双极板表面改性层结构示意图，

图2是双极板的界面接触电阻随燃料电池堆组装紧固压力的变化曲线图。图中，1、纯钨层，2、钨扩散固溶体层，3、双极板基体。附图2中，横坐标为紧固压力，其单位为牛顿/厘米²(N/cm²)；纵坐标为表面接触电阻，单位为毫欧·厘米²(mΩ·cm²)；●黑色圆点形成的曲线表示现有技术的双极板的界面接触电阻随燃料电池堆组装紧固压力的变化曲线，■黑色方块形成的曲线表示本发明的双极板的界面接触电阻随燃料电池堆组装紧固压力的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。