[发明专利]一种燃料电池双极板及其表面钛金薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种燃料电池双极板及其表面钛金薄膜的制备方法。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)能将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，其转化效率高、环境友好、可靠性强，被认为是21世纪首选的高效的可持续发电技术。

在各类燃料电池中，可再生燃料电池(Regenerative Fuel Cell Sectem，简称RFC)是目前比能量最高的储能系统，由水电解(WE)池和燃料电池(FC)两个主要部分构成，它能通过电解池将水电解成氢和氧然后又通过燃料电池产生电能后将氢、氧又生成水，具有循环利用可再生的特点，其功率在10～1000Kw范围，比能量可达400～1000W·hKg^-1，是最轻的二次电池比能量的几倍。目前可再生燃料电池主要被开发和应用于空间飞行器及太空船的混合能量存储系统以及便携式能量系统等。

此外，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell，简称PEMFC)也是燃料电池家族中的典型代表，它具有启动快、寿命长、比功率高等优点，除适用于地面发电站以外，还特别适合用于可移动动力源和各种便携电源，是电动车和其它交通工具甚至是武器载运的理想电源之一。因此可再生燃料电池和质子交换膜燃料电池的发展对整个新能源技术领域的发展具有举足轻重的作用。

双极板在燃料电池中起着支撑、集流以及分隔氧化剂与还原剂的作用，并且引导氧化剂和还原剂在电池内电极表面流动，是燃料电池的关键组成部分，占电池重量的70％以上，在电池总成本中也占接近一半。理想的双极板应当具有很高的导电性、耐腐蚀性、高机械强度、高阻气能力、低成本易加工等特点。从一般性能上讲，金属是理想的燃料电池的双极板材料，但是金属的主要问题是在燃料电池环境下易发生腐蚀，特别是在可再生燃料电池的电解模式下，其工作电压更高，一般在1.2～1.5V，特别是电解阳极由于处于氧化气氛而使得其腐蚀环境更加恶劣，其后果不仅是使双极板功能失效，而且还会造成电池整体“毒化”而瘫痪。一些贵金属(比如金Au、银Ag、铂Pt等)具有同时导电、耐蚀的复合性能，但直接使用贵金属会带来材料成本的极大提高。

现有用不锈钢或钛板原金属代替稀缺贵金属作为双极板方案，具有低成本的优势，但是因存在着一层钝化膜，虽然对提高耐蚀性能起到积极作用，但却大大增加了双极板的接触电阻，以至于电池在运行过程中发热、功率降低和腐蚀加速。另外，也有通过多弧离子镀技术从纯钛靶与石墨靶材中制备出碳铬纳米复合薄膜沉积在双极板表面，该方案有一定的成本优势，同时具备导电和耐蚀性能，但是该双极板表面碳铬纳米复合薄膜的电阻仍较大15mΩ·cm2(0.8MPa压强)，且经过连续模拟耐蚀测试1000H后电阻较初始电阻成倍增长，导电性随抗蚀性能下降而增加，造成电池运行中发热、功率下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种成本可控、原材料耗量低的、高质量的、易于批量生产的燃料电池双极板及其表面钛金薄膜的制备方法。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种燃料电池双极板，包括基体和基体表面的改性薄膜层，所述改性薄膜层覆盖于基体的两侧面上，且与基体连接，所述改性薄膜层为钛金纳米复合薄膜层。

优选地，所述基体为金属薄板。

优选地，所述金属薄板为不锈钢板或是钛板。

优选地，所述基体的厚度为0.05mm-1.0mm。

优选地，所述钛金纳米复合薄膜层的厚度为0.05μm-5μm。

优选地，所述钛金纳米复合薄膜层是钛或氮化钛或金或氮纳米晶中的任意两种或三种组合成的多层薄膜。

优选地，所述钛金纳米复合薄膜层是在钛纳米晶基体上分布氮化钛和金纳米晶的复合薄膜，所述钛、氮化钛和金纳米晶的晶粒大小均为3nm-100nm。

优选地，所述钛金纳米复合薄膜层是在氮化钛纳米晶基体上分布金纳米晶的复合薄膜，所述氮化钛和金纳米晶的晶粒大小均为3nm-100nm。

优选地，所述钛金纳米复合薄膜层是在氮化钛纳米晶基体上分布氮和金纳米晶的复合薄膜，所述氮化钛、氮和金纳米晶的晶粒大小均为3nm-100nm。

本发明还提供了一种制备燃料电池双极板表面钛金薄膜的方法，所述方法为采用电弧离子镀技术在基体表面沉积钛金纳米复合薄膜层，包括以下步骤：

S1，将清洗烘干后的基体放于PVD设备真空炉内，当将真空室真空抽到2×10^-2Pa时，对真空室加热，加热至150℃时停止加热；