[发明专利]不锈钢金属双极板及其制备方法和燃料电池

说明书

本发明公开了一种不锈钢金属双极板及其制备方法和燃料电池。所述不锈钢金属双极板包括不锈钢金属双极板基底、过渡层和MAX相防腐涂层，所述过渡层层叠结合在所述不锈钢金属双极板基底的表面上，所述MAX相防腐涂层层叠结合在所述过渡层的表面上。本发明不锈钢金属双极板具有优异的导电性和抗腐蚀性，而且所述MAX相防腐涂层致密、硬度高、耐磨、耐高温、平整、光洁，微观缺陷少，憎水性好且结构牢固。其制备方法能够保证制备的不锈钢金属双极板性能稳定，而且条件易控，效率高。含有不锈钢金属双极板的燃料电池具有稳定的电化学性能，而且功率密度高，电化学性能优异。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种不锈钢金属双极板及其制备方法和燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种高效的将化学能直接转换成电能的发电装置。质子交换膜燃料电池电堆主要由双极板、气体扩散层和膜电极组成。其中双极板具有分隔燃料与氧化剂、收集和传导电流、将气体均匀分配到电极的反应层进行电化学极反应、排出热量、保持电池温度场均匀等功能，是燃料电池重要的部件之一。因此，要求双极板材料具有高电导率、阻气性、耐蚀、耐磨、抗冲击和震动的性能，同时要求双极板材料重量轻、厚度薄，成本低、易加工的特点。

目前用于制备双极板的材料包括碳板、金属极板等。其中，碳板由于具有很好的导电和耐蚀性能，所以被广泛用作制备双极板的材料。但碳材质的双极板厚而重，在电堆中约占总体积的70％，重量的80％。金属薄板来替代厚而重的碳板就可以大幅度地降低电堆的体积和重量，提高电堆的功率密度，一般体积功率密度可提高80％，重量功率密度可提高一倍，即100％。但是金属双极板也存在很多问题。具体的是金属双极板的导电率和导热性能虽然优于碳板，也可以做到轻而薄，但金属的化学性质没有碳稳定，容易被氧化腐蚀，在表面形成电导率很低的氧化层，这样就增加了接触电阻。此外，被腐蚀出来的金属阳离子会影响Pt催化剂的活性，使电堆性能衰退。因此金属双极板需要进行适当的表面防腐处理才能使用。

目前金属双极板常用的基材是铝、钛和不锈钢，表面一般镀碳膜、金属碳化物或者氮化物膜。镀膜的方法通常采用PVD法、CVD法以及渗碳、渗氮法。相比铝、钛，不锈钢有较好的刚度、塑性、抗腐蚀性、易加工性和低成本的综合优势，因而被广泛研究。常选作双极板的不锈钢的型号有310、304、316和904，在其上镀的膜一般是类金刚石膜、类石墨膜和金属化合物膜。在金属化合物膜中，TiC、TiN、TiCN和CrN等因具有良好的导电、耐腐蚀、抗氧化和耐磨特性而被广泛选用。但相比金属的电导而言，钛、钒和铬等金属的碳化合物或氮化物的电阻仍然很高，其实属半导体类。