[发明专利]一种表面改性的燃料电池双极板、制备方法及燃料电池

说明书

本申请提供的表面改性的燃料电池双极板及其制备方法，以燃料电池的双极板为基材，利用真空溅射镀层技术在所述基材的表面形成均匀的C‑Cr涂层，通过使用Cr元素的掺杂C，克服了不锈钢与C薄膜之间附着力较差，碳的沉积存在一些困难的缺陷，与普通的碳薄膜相比，C‑Cr薄膜可以提高涂层的界面电导率和耐蚀性，同时使薄膜获得低残余应力和良好的稳定性，并降低源自涂层缺陷的局部腐蚀的风险。另外，本申请还提供了一种燃料电池。

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种表面改性的燃料电池双极板、制备方法及燃料电池。

背景技术

目前国内外制备质子交换膜燃料电池(PEMFC)双极板多采用碳基材料，尽管碳基材料的成本不高，但是由于双极板表面复杂气体流道的要求，制备碳基双极板所需的机械加工费用较高。同时，碳基材料的抗弯能力较差、质脆，该类双极板的厚度较大。因此，碳基双极板的体积、质量和成本占了整个电池堆的绝大部分。较碳基双极板而言，金属材料双极板具有良好的力学性能、机械加工性能和尺寸稳定性，可通过轧制，制备成金属薄片，从而显著降低电池质量和体积。与此同时，金属材料具备成熟的加工工艺，可利用精密加工技术，加工出所需的流道，便于冷却、排水。正因为如此，金属材料双极板被认为是理想的双极板电极材料。

不锈钢材料具有的高耐蚀性、高导热性、良好的加工性能、价格低等特点，在金属双极板材料中极具竞争力。然而，经研究发现，未经处理的不锈钢双极板在PEMFC的环境中容易在其表面产生氧化物钝化膜，氧化物钝化膜的导电性较差会明显增大接触电阻，此外电解液也会因双极板析出的镍、铬、铁等金属离子受到污染，电池的欧姆阻抗和电荷转移阻抗会明显增大，直接影响到燃料电池的使用寿命，无法满足燃料电池的高性能需求。未经表面处理的不锈钢双极板，虽具有生产快、加工成本低的优势，但不锈钢材料在电池环境中出现的耐蚀性较差、易产生钝化膜等问题直接影响到了燃料电池的使用性能。为此，通过表面改性处理提高不锈钢双极板的耐蚀性是解决其商业化应用的重要途径。

目前，能同时解决不锈钢双极板的导电性与耐蚀性问题的最有效方法是表面进行涂层改性，经过涂层改性后的不锈钢双极板能在保证良好导电性的同时提高双极板的耐蚀性，保障整体电池的使用性能和寿命。不锈钢双极板不同的表面涂层改性后表现出的性能各有差异。针对不锈钢双极板涂层性能需求，国内外研究人员进行了大量的不锈钢表面改性研究。依据涂层的材料不同，可分为金属基涂层和碳基涂层这两类材料。

将碳基和金属的优点相结合，通过在不锈钢双极板表面沉积制备碳基镀层，可在保留不锈钢双极板较高导电性、力学性能和低渗透性的基础上，显著提升其耐蚀性，且制备简单，成本较低。同时碳基涂层表现出良好的疏水性能，有利于及时排出燃料电池内部的液态水。然而，对于碳基薄膜来说，提高致密性和降低内压应力一直无法同时实现，生产无缺陷、低内应力和性能稳定的碳基涂层成为了一项技术难题。

发明内容

鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷提供一种可以提高致密性和降低内压应力的表面改性的燃料电池双极板、制备方法及燃料电池。

为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

本申请目的之一，提供了一种表面改性的燃料电池双极板，包括双极板及形成于所述双极板表面的C-Cr涂层。

在其中一些实施例中，所述双极板为316不锈钢箔。

在其中一些实施例中，所述C-Cr涂层的厚度为800-1000nm。

本申请目的之二，提供了一种所述的表面改性的燃料电池双极板的制备方法，包括下述步骤：

在真空环境中通入工作气体；

于上述工作气体的环境中，将所述双极板置于阳极架上，并在所述阳极架的平行方向设置阴极架，所述阴极架上设置靶材，所述靶材和所述双极板相对设置，所述靶材为固体C-Cr孪生靶；