[发明专利]金属双极板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池电极技术领域，具体涉及一种金属双极板及其制备方法。

背景技术

氢质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有环境友好、转换效率高、室温快速启动、噪音低等优点，可以用于可移动式电源、备用电源、动力电源、固定式电站等领域，目前作为军民两用的清洁能源设备受到广泛的青睐。

PEMFC的关键部件之一——双极板，常选用石墨作为基材，然而传统的石墨双极板体积大、机械强度低、成本高，难以在提高功率密度、抗震等方面有所突破，从而限制了其在动力电源等方面的应用。解决方法之一是采用新型的金属双极板。金属材料具有高导电性、阻气性好、易加工成型、机械强度高、延展性好等优势，能很大程度地提高PEMFC的体积和质量功率密度，同时降低生产成本。金属双极板的基材可以选择镍合金、不锈钢、钛、铝等材料，其中钛具有质量轻、柔韧性好、在酸、碱性环境中均具有良好化学稳定性等优点，是作为双极板的理想材料。

但是，在PEMFC的运行环境中常含有F^-、SO₄^2-、SO₃^2-、CO₃^2-、HSO₄^-等离子，并且启动时阴极与阳极电压差最大可达1V，运行温度一般在60-90℃。在这样恶劣的条件下，首先要避免金属极板的电化学腐蚀。F^-离子及弱酸性的环境中，钛会被缓慢的侵蚀；另一方面，保护钛表面的自钝化膜是绝缘的，增加了钛与碳纸间的接触电阻，这是在双极板制备过程中需要考虑解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出金属双极板及其制备方法，以提高提高金属双极板的表面导电性和耐腐蚀性能。

基于上述目的，本发明提供的金属双极板包括钛基片及其表面改性层，所述表面改性层由紧邻所述钛基片的钛改性层和紧邻所述钛改性层的铬改性层组成。

可选地，所述钛改性层由钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物中的一种或多种组成，所述铬改性层由铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物中的一种或者多种组成。

较佳地，所述钛改性层从钛基片到铬改性层依次设有钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物中的一种或多种，所述铬改性层从紧邻铬改性层处开始依次设有铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物中的一种或者多种。

较佳地，在所述钛改性层中，碳的摩尔浓度为25～40％，氮的摩尔浓度为20～56％，在所述铬改性层中，碳的摩尔浓度为33～64％，氮的摩尔浓度为20～50％。

可选地，在所述钛改性层中，所述钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物的摩尔浓度分别为10～90％、10～95％、5～50％；

在所述钛改性层中，所述铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物的摩尔浓度分别为10～80％、5～70％、25～75％。

优选地，在所述钛改性层中，所述钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物的摩尔浓度分别为20～65％、25～50％、15～35％；

在所述钛改性层中，所述铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物的摩尔浓度分别为10～60％、8～50％、25～45％。

可选地，所述钛基片的厚度为0.08～3mm，所述钛改性层的厚度为0.1～2μm，所述铬改性层的厚度为0.2～3μm。

本发明还提供了一种制备上述金属双极板的方法，包括以下步骤：

1)沉积钛改性层：若沉积钛氮化物，则向真空腔体通入氮气和氩气，氩气携带体积分数为60％～85％的氮气，得到的钛氮化物厚度为0.2～2μm；若沉积钛碳氮化物时，则向真空腔体通入氮气、乙炔和氩气，氮气和乙炔的流量比为1:0.8～2，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的60～85％，得到的钛碳氮化物厚度为0.2～2μm；若沉积钛碳化物，则向真空腔体通入乙炔和氩气，氩气携带体积分数为65～90％的乙炔，得到的钛碳化物厚度为0.2～2μm；

2)沉积铬改性层：若沉积铬氮化物，则向真空腔体通入氮气和氩气，氩气携带体积分数为60％～85％的氮气，得到的铬氮化物厚度为0.8～2.5μm；若沉积铬碳氮化物，则向真空腔体通入氮气、乙炔和氩气，氮气和乙炔的流量比为1:0.2～2.5，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的60～85％，得到的铬碳氮化物厚度为0.8～2.5μm；若沉积铬碳化物，则向真空腔体通入乙炔和氩气，氩气携带体积分数为65～90％的C₂H₂，得到的铬碳化物厚度为0.8～2.5μm。