[发明专利]制备氮化铬/碳化铬复合膜用于改性不锈钢双极板的方法

说明书

电化学制备氮化铬/碳化铬PEMFC不锈钢双极板复合膜的方法，(1)对不锈钢进行抛光处理；(2)配制一定浓度的酸和硝酸盐的混合溶液，向其中加入适量表面活性剂溶液，标记为A溶液；(3)将Crsupgt;3+/supgt;，甲酸，导电盐和缓冲剂溶解在去离子水中搅拌形成溶液B；(4)将不锈钢电极在Crsupgt;3+/supgt;+甲酸的混合溶液B中电镀形成碳化铬膜。(5)将不锈钢电极在A溶液中恒电位极化一定时间制备氮化膜。(6)步骤(4)和(5)交替形成复合膜，即碳化膜+氮化膜或者氮化膜+碳化膜。复合膜制备采用三电极体系进行。室温电化学制备氮化铬/碳化铬复合膜改性的不锈钢双极板的性能可以满足燃料电池对双极板性能的要求，该方法处理成本低廉，过程简单，对设备等的要求较低，很适合工业大规模生产。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及PEMFC低接触电阻、低腐蚀电流不锈钢双极板的制造方法，具体为一种室温条件下，利用电化学制备氮化铬/碳化铬复合膜改性不锈钢PEMFC双极板的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接将化学能转化为电能的的发电装置。由于发电过程不经过类似传统内燃机的燃烧做功过程，所以不受卡诺循环的限制，能量转化效率高达80％。近年来由于能源安全和环境污染问题，燃料电池技术由于其清洁高效的特点已成为了一个研究的热点，并取得了很大的突破。同时，它还是一种环境友好、室温启动快和噪音低的能量转化装置，几乎不排放氮和硫的氧化物，二氧化碳的排放量比常规发电厂减少40％以上。由于具有这些突出的优越性能，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府与大公司的重视，可以使用在移动电源、备用电源、动力电源等领域，被认为是21世纪首选的清洁、高效的发电技术，具有巨大的发展潜力。

目前，PEMFC双极板主要采用石墨及其复合材料或金属材料制作，根据双极板的功能和特点，其材料的选用主要涉及以下几方面的内容：(1)导电性，(2)耐腐蚀性，(3)化学相容性，(4)传热性能，(5)致密性，(6)机械强度，(7)重量，(8)体积，(9)加工性能。双极板(Bipolar Plates)也称为集流板、流场板或阻隔板，它与MEA相互叠加组装便组成电池堆，是PEMFC电堆的关键组件之一。其质量占到整个电池堆的60～80％，其加工成本则占到电池总成本的45％，是制约PEMFC商业化生产的重要因素之一，因此开发研究成本低廉，性能优良的双极板有着至关重要的意义。

金属由于其优异的强韧型、导电性、导热性、致密性，且可以制造成很薄的板材等优点而成为制作双极板的潜在选择材料之一。目前对于金属双极板的研究得到了广泛的关注。但是金属双极板面对的主要问题是要解决在电池阳极侧工作电位范围内的腐蚀现象以及在阴极侧工作因氧化导致的接触电阻增加的问题。并且腐蚀现象不但破坏双极板本身也会因腐蚀产生的金属离子被电解质膜吸收而降低电池的性能。因此，采用金属为质子交换膜燃料电池双极板材料的关键技术之一是金属的表面改性，来降低接触电阻并提高阳极金属耐腐蚀性能。

PEMFC运行在酸性、高温和高湿的环境，水溶液常含有易引起不锈钢点蚀的氟离子，并且启动时阴极与阳极电压差最大可达1.0V，在这种条件下，不锈钢双极板通常会发生电化学腐蚀，降低金属双极板的使用寿命。此外，不锈钢表面在酸性环境下形成的钝化膜由于导电性差增加了极板与碳纸间的接触电阻，降低了电池的输出功率。所以，制备或者改性基体材料形成导电耐腐蚀的涂层是十分必要的步骤。

大量的表面改性技术被用来提高不锈钢的性能。包括氮化膜，碳化膜和导电聚合物膜等。其中，氮化是在不锈钢表面形成金属氮化物来提高材料的机械性能和耐腐蚀性能。通过各种化学反应可以在不锈钢表面制备出导电耐腐蚀性能优异的的氮化铬、碳化铬和氮化钛等涂层，满足燃料电池对双极板性能的要求。