[发明专利]一种燃料电池用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领域，特别是指一种燃料电池用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，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不锈钢金属双极板，不锈钢材料具有良好导电性、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、质量功率密度和降低成本。

然而在PEMFC的运行环境中常含有F-、SO₄^2-、SO₃^2-、CO₃^2-、HSO₃^-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℃，在这种条件下，不锈钢材料会发生电化学腐蚀，降低金属双极板的使用寿命。此外，虽然不锈钢表面的自钝化膜能起到保护作用，但是是绝缘的，增加了极板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。

为了提高金属双极板的表面导电性和耐腐蚀性能，现有方法主要对其进行表面处理或改性。现有技术中，主要采用在金属表面制备贵金属、碳类膜、金属陶瓷化合物等薄膜。贵金属涂层因其成本高而不适于生产低成本的电池组。用较低成本的工艺方法在不锈钢板上制备金属陶瓷化合物是有利于工业化的途径。专利CN201110027099.0发明了一种利用离子镀的方式在不锈钢基板上沉积TiC纳米复合薄膜的方法，可以将腐蚀电流降低到10^-7A/cm²。专利CN20111028193.6及CN200610046733.4分别公开了用真空环境下对不锈钢表面进行等离子体氮化处理的方法，制备NbN及CrN的薄膜，有效地降低了表面接触电阻，提高耐腐蚀性能。但是这些方法和材料制备的单层薄膜很难消除针孔的存在，而针孔或大颗粒等缺陷造成的局部孔蚀、电偶腐蚀，会加速金属双极板的失效。在专利CN201310116099及CN201210438569中公开了PVD方法制备多层Cr的碳、氮化物薄膜，来减少针孔缺陷的产生，但是多层薄膜的结构增加了工艺的复杂程度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种燃料电池用金属双极板及其制备方法，提高了金属双极板的防腐蚀性，降低了金属双极板的表面接触电阻。

基于上述目的本发明提供的一种燃料电池用金属双极板，包括不锈钢基板及其表面改性层，所述表面改性层包括附着在不锈钢基板表面的连续绝缘层和附着在不锈钢基板表面上的、与不锈钢基板形成良好电接触的不连续导电颗粒。

在本发明的一些实施例中，所述连续绝缘层选自化学钝化层、二氧化钛层、氧化锡层和类金刚石层的任意一种或两种。所述不连续导电颗粒选自氮化铬、碳化铬、碳化钨、铂和金的任意一种。

在本发明的一个实施例中，所述连续绝缘层为化学钝化层和二氧化钛层，在本发明的另一个实施例中，所述连续绝缘层为化学钝化层和氧化锡层。

可选地，所述连续绝缘层的厚度为135～270nm。

本发明还提供了一种燃料电池用金属双极板的制备方法，先在不锈钢基板表面制备连续绝缘层，再采用等离子体热喷涂方法向不锈钢基板喷射耐腐蚀导电熔融体，所述耐腐蚀导电熔融体穿透连续绝缘层在不锈钢基板表面形成不连续导电颗粒。

在本发明的一些实施例中，将预热的不锈钢基板置于真空腔室中，将等离子喷枪放置在不锈钢基板垂直位置，通过氩气或氩气与氢气携带表面熔融的耐腐蚀导电颗粒向不锈钢基板喷射，所述等离子喷枪的喷嘴与不锈钢基板的水平距离为50～120mm，气体流量为30～150L/min，喷枪移动速度为3～40mm/行程，喷涂功率为15～30kW，喷涂时间为120～350s，得到不连续导电颗粒。

可选地，所述不连续导电颗粒的粒径为0.3～10μm。

在本发明的一些实施例中，在制备不连续导电颗粒之前，先在不锈钢基板表面制备连续绝缘层，所述连续绝缘层采用化学钝化、真空薄膜沉积、超声喷雾薄膜沉积和高温渗氮的任意一种或两种方法制备而成。