[发明专利]可再生燃料电池用金属双极板及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可再生燃料电池用金属双极板及制备方法，尤其是一种易于批量生产、原材料消耗少、低成本、可提高金属双极板耐蚀和导电性能的可再生燃料电池用金属双极板及制备方法。

背景技术

燃料电池是一种高效的、环境友好的发电装置，它可直接将储存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。

在各类燃料电池中，可再生燃料电池（Regenerative Fuel Cell，RFC）是目前比能量最高的储能系统，既可实现燃料电池（Fuel Cell，FC）功能又可实现水电解（Water Electrolysis，WE）功能，包括WE和FC两大工作模块：执行FC模块时实现氢氧复合并对外输出电能；执行WE模块时利用外加电能将水电解成氢气和氧气，达到储能的目的。其比能量可达400~1000Whkg^-1，是最轻的二次电池比能量的几倍。另外，可再生燃料电池具有充放电方便、无自放电、不受放电深度及电池容量限制等燃料电池的所有优点，主要应用于空间飞行器、太空船的能量存储系统以及海岛、边防等军事能源供应领域。

金属双极板在燃料电池中起着支撑、集流以及分隔氧化剂和还原剂的作用，并且引导氧化剂和还原剂在电池内电极表面，是燃料电池的关键组成部分，占电池重量的70%以上，约占电池总成本的一半。理想的金属双极板在燃料电池工作环境中应具有良好的耐腐蚀性能，同时保持高导电性、高机械强度、高阻气性能，并且还需具有低成本、易加工等特点。

可再生燃料电池WE工作模式的工作电位比FC模式高，在0.8-1.6V的范围，这个高电位使得双极板的工作环境腐蚀性更强，金属双极板必须具有更高的耐蚀性，同时保持良好的导电性。

以往，可再生燃料电池用金属双极板是在钛板表面镀Pt或Au，成本高，严重限制了可再生燃料电池的应用，因此需要针对可再生燃料电池的工作环境探索新的表面改性层材料。

美国专利US 7879389B2选用具有疏水性的粉体材料和导电性好的粉体，并将其混合成溶胶溶液，用化学喷涂的方法在金属薄板表面制备薄膜，所制得的薄膜虽然改善了金属薄板的导电性和疏水性能，但耐蚀性和膜基结合力有待提高。中国公开号为CN 101257117B，CN 101257118B，CN 100595951C的专利申请分别在金属薄板表面镀覆氮铬薄膜、碳铬薄膜和碳镍铬薄膜，以提高其耐蚀和导电性能，很大程度上改善了不锈钢双极板的导电和耐蚀性能，但耐蚀性能只能保证其在燃料电池工作电压范围（-0.1V~0.8V）的稳定性，工作电压高于0.8V时，改性薄膜会迅速发生腐蚀、溶解和脱落，因此不能满足在可再生燃料电池工作电压范围（-0.1V~1.8V）的材料稳定性。

离子镀技术是在蒸发和溅射镀膜技术的基础上发展而来的物理气相沉积技术，用于表面改性薄膜的沉积已有几十年的历史。电弧离子镀是最具代表性的离子镀技术之一，是离化率最高的离子镀形式，具有沉积速率快、薄膜致密度高、化学反应活性强等优点。由于薄膜生长机制是原子级载能粒子（离子）的有序沉积，因而薄膜与基材之间属于原子尺度的连续匹配连接，具有半冶金结合、结合力强的特点。此外，电弧离子镀改性薄膜的厚度仅为微纳米量级，原材料耗量低但功效显著，特别是电弧离子镀技术在整个薄膜合成过程中没有任何污染气体的排放，具有清洁、环保的优势。但是，迄今为止还没有关于用电弧离子镀法将薄膜沉积在钛板或不锈钢板上，用于燃料电池金属双极板的相关报道。

发明内容

本发明是为了解决现有技术存在的上述技术问题，提供一种易于批量生产、原材料消耗少、低成本的可提高金属双极板耐蚀和导电性能的可再生燃料电池用金属双极板及制备方法。

本发明的技术解决方案是：一种可再生燃料电池用金属双极板，由金属薄板及连接在金属薄板上的薄膜构成，所述金属薄板为厚度0.2mm~2.0mm的钛板或不锈钢板，所述薄膜为厚度为0.1μm~3μm的Ti-Ag-N纳米复合薄膜，所述金属薄板与薄膜之间的连接是原子尺度上的连续匹配连接。

所述的Ti-Ag-N纳米复合薄膜是10nm~30nm的纳米Ag粒子镶嵌于20nm~100nm的 TiN纳米晶基体中。

一种上述的可再生燃料电池用金属双极板的制备方法，是用电弧离子镀将Ti-Ag-N纳米复合薄膜沉积在金属薄板表面，其特征在于：采用离子溅射的方法去除金属薄板表面钝化膜；采用Ag靶和Ti靶弧流匹配调整薄膜沉积过程中的弧流，Ti靶弧流与Ag靶弧流的比例为3A/2A~5A/2A；氮气送入量与总弧流的比例是1sccm/21A~4sccm/9A。