[发明专利]一种燃料电池金属双极板碳铬阶梯镀层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域的制备方法，具体是一种燃料电池用金属双极板耐蚀导电镀层及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)可以不经过燃烧而直接将氢气中的化学能转变为电能，其能量转换效率不受卡诺循环的限制，电池组的发电效率可达50％以上，唯一产物为水，对环境十分友好。PEMFC工作温度低、启动速度快、工作寿命长，是理想的移动电源和独立电源装置，在交通工具、电子产品、国防军事和固定电站等领域具有广泛的应用前景。

双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件之一，占电堆体积的80％、质量的70％和成本的29％。其主要功能是分隔反应气体、收集电流、将各单电池串联起来并通过流场为反应气体进出电极及水的排除提供通道等。因此，理想的双极板材料必须具有高的电导率和良好的耐蚀性、低密度、高机械强度、高气密性、化学稳定性好及易加工成型等特点。目前，PEMFC双极板材料主要有三类：石墨材料、复合材料和金属材料。石墨双极板导电良好、易于加工，但材料脆性极大，机械性能差，同时加工效率低，难以实现商业化大批量生产。复合材料双极板以碳粉和树脂为主要原料、经过模压等方式制备而成，其成本低廉，但是复合双极板还存在导电性和气体渗透的问题。金属薄板具有高的强度和导电、导热性能，原材料便宜且适合冲压等大批量生产方式，是公认的燃料电池产业化的首选。

然而，金属双极板的广泛应用亟待进一步提高耐腐蚀性能和降低接触电阻。金属双极板在高温、高湿和酸性的PEMFC工作环境迅速发生腐蚀，导致催化剂中毒，严重影响PEMFC使用寿命。通过合金化等方式可以提高金属的耐腐蚀性，但往往致使接触电阻的升高，降低电池性能。如何解决耐腐蚀性能和导电性能这对矛盾是制约金属双极板广泛应用的瓶颈。以不锈钢薄板等作为基底材料，采用化学气相沉积(CVD)、离子注入和离子镀等方式在基底上制备一层耐腐蚀并导电的异质薄膜镀层是国内外的研究热点。经对现有技术的检索发现，如Fukutsuka等人[Fukutsuka T，Yamaguchi T，Miyano S-I，Matsuo Y，Sugie Y，Ogumi Z.Carbon-coated stainless steel as PEFC bipolar plate material.J Power Sources 2007，174(1)：199-205.]采用等离子体辅助化学气相沉积法(plasma-assisted CVD)的方法在SUS304不锈钢薄板上制备了碳膜，提高了耐腐蚀性能并降低了接触电阻。Ren等人[Ren YJ，Zeng CL.Corrosion protection of 304 stainless steel bipolar plates using TiC films produced by high-energy micro-arc alloying process.J Power Sources 2007，171(2)：778-782.]采用高能微弧火花合金化技术制备(high-energy micro-arc alloying，HEMAA)在不锈钢304上制备了TiC薄膜，使得腐蚀电位增加了0.2V。中国专利ZL 200810202638.8提出采用离子注入法将镍、铬和铜中的两种元素的任意组合或全部三种元素注入不锈钢薄板中形成改性层。中国专利ZL 200610129486.4采用离子束表面改性技术在薄钛板或304、310、316等不锈钢薄板表面制备了一层厚度为0.5～10μm氮化铬薄膜涂层，使腐蚀电位发生正移、腐蚀电流减小，提高了耐腐蚀性能。中国专利ZL200810086373.X用电弧离子镀方法在不锈钢双极板基材两侧表面镀0.1～5μm氮铬薄膜。中国专利公开号CN 101626082A采用脉冲偏压多弧离子镀的方法在金属薄板表面沉积厚度为0.2～5μm的导电陶瓷涂层。然而，上述方法腐蚀电流和接触电阻还有待于进一步降低，疏水性和膜基结合力还有待于进一步提高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可大幅提高金属双极板的耐腐蚀性能，同时降低接触电阻的燃料电池金属双极板碳铬阶梯镀层及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池金属双极板碳铬阶梯镀层，其特征在于，在金属双极板表面形成碳铬阶梯镀层，该碳铬阶梯镀层由金属双极板表面向上依次为纯铬打底层、碳铬过渡层、碳铬共存层和纯碳工作层。

所述的碳铬阶梯镀层的总厚度为0.5～5μm。