[发明专利]铬碳化物改性铁基金属双极板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池电极技术领域。特别涉及聚合物电解质膜燃料电池的金属双极板及其制备方法。

背景技术

除了具有能量转化效率高、寿命长、环境友好等特点，聚合物电解质燃料电池因其工作温度低、启动快而成为应用于交通运输和建设分散电站的动力源，是一种军民通用的可移动电源。然而，高成本、重量和体积等因素在很大程度上限制阻碍了聚合物电解质燃料电池的大规模商业化应用。因此，降低成本已经成为各国政府和研究者的关注热点。

作为聚合物电解质燃料电池中重要的多功能组件之一，双极板不仅具有分隔反应气体、集流导电、支撑膜电极和导热作用，还能与流场板结合为反应气体提供通道，使反应气体分布均匀，并将生成的水排出。由于低的表面接触电阻和良好的耐腐蚀性能，石墨被认为是标准的聚合物电解质燃料电池双极板材料。传统的石墨因脆性大强度低难以制备低重量低体积的燃料电池组，而且在表面机加工各种流场的工艺耗时且费用高。从而导致石墨板的成本约占质子交换膜燃料电池成本的80％。具有良好的强韧性、导电性和气密性的金属材料代替石墨是十分有潜力的。金属不仅可以加工成厚度为0.1～0.3mm的薄板，还可以通过机械加工和冲压的方法加工成各种流场板，适合于批量生产，进而大幅度提高聚合物电解质燃料电池的质量比功率和体积比功率。目前采用的金属双极板材料有铁基合金、镍基合金和铝、钛及其合金等。

聚合物电解质膜燃料电池的工作环境中含有SO₄^2-、SO₃^2-、CO₃^2-、HSO₄^-和HSO₃^-等离子，这与质子交换膜的部分降解和电极的制备工艺有关。因此，金属双极板在如此苛刻的环境中不可避免地要发生电化学腐蚀。金属双极板表面生成的钝化的氧化物层除了抑制了金属的进一步腐蚀，同时也导致了不合要求的高表面接触电阻。这势必会引起一些电能的消耗和燃料电池组总效率的降低，从而降低电池组的性能和功率输出。为此，通过表面改性技术来提高其表面导电性和耐蚀性对金属双极板的制备和生产具有重要的意义，也必将对聚合物电解质膜燃料电池的发展和广泛应用产生深远的影响。贵金属涂层因其成本高而不适于生产低成本的电池组。采用物理气相沉积、化学气相沉积和电镀等不同的方法制备的氮化物和氧化物涂层则因其制备工艺的限制而生成难以避免的微孔和微裂纹等缺陷会因为局部腐蚀而剥落，从而引起聚合物电解质膜燃料电池的使用寿命降低。因此，通过一种新的表面改性方法发展低成本、高表面导电性和良好耐蚀性的金属双极板是聚合物电解质膜燃料电池的必然趋势，也必将对聚合物电解质膜燃料电池的商业化进程产生重要的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本的具有优良的导电性、耐蚀性、易于生产加工且能够满足聚合物电解质燃料电池运行要求和大规模市场应用要求的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板及其制备方法。

为了能够达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种铬碳化物改性铁基合金金属双极板，其特征在于：基体为铁基合金金属板，其厚度为0.1～3.0mm，其合金化学成分为C≤0.50％，0.17～0.37％Si，0.35～0.80％Mn，Cr≤0.25％，Ni≤0.30％，Cu≤0.25％，P＜0.35％，S≤0.04％；所述基体表面为高导电性和耐蚀性的铬碳化物扩散层，扩散层厚度为1～30μm，腐蚀速度低于10μA/cm²；当压力为150～200N/cm²，接触电阻为10～20mΩ·cm²；

所述铬碳化物为Cr₃C₂和/或Cr₇C₃和/或Cr₂₃C₆。

上述铬碳化物改性铁基合金金属双极板的制备方法，基体表面改性工艺分为两步：

(1)炉内渗碳温度为800～1000℃，保温阶段辉光电压为100V～800V，电流密度为0.5～20mA/cm²，真空度为50Pa～1330Pa，渗碳时间为2～8h，反应气体为甲烷或乙炔或丙烷；

(2)热反应沉积与扩散温度为500～1000℃，等温扩散时间为0.5～48h；扩散所需Cr来源于Cr-Fe粉末。

本发明具有显著的特点和突出的优点：