质子交换膜燃料电池不锈钢双极板表面涂层结构及制备的制作方法

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池技术领域中不锈钢双极板表面改性方法。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种清洁的能量转换装置，将储存在氢气和氧气中的化学能转化为电能，产物只有水。质子交换膜燃料电池因为其环境友好性、高的能量转化效率和快速启动性能等特点而备受关注。此外，其在汽车工业、备用应急电源、分散电站及军事等领域具有广阔的应用前景。

双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件之一，具有连接单池、支撑电堆、提供气体流场、收集电流、散热、排水等作用，因此，要求作为双极板的材料应该具有机械强度高、渗气率低、电导率高、导热性好、耐腐蚀、与碳纸之间的接触电阻低、低成本等性质。

在移动式应用方面，要求pemfc电堆具有较高的质量比功率和体积比功率，但在传统pemfc电堆中，石墨为制作双极板的主要材料，由于石墨气密性不佳、机械强度低、脆性大等问题，造成传统双极板厚度大、质量重、不耐机械震动、加工难度大、成本高，使得石墨在移动式应用中受限。金属具有较高的电导率、较好的机械强度、透气率低、导热性好、成本低、可进行冲压加工等特点，是制作双极板的潜在材料之一，但不锈钢等金属表面存在几纳米厚的氧化钝化膜，使得金属与碳纸间的接触电阻过大，进而造成电池内部较大的欧姆阻抗，这将显著降低不锈钢等金属作为双极板时，电堆的输出性能。因此，不锈钢等金属制作的双极板表面必须进行适当的改性处理。目前很多研究者在基体不锈钢表面沉积tin镀层，这显著降低了不锈钢与碳纸之间的接触电阻，但tin镀层稳定性较差。ho-youngjung在钛板表面制备了1μm的金镀层，阻止了钝化层的形成，电池性能较好，但是金的价格昂贵，难以实现大规模商业化应用。b.yang通过热氮化在不锈钢表面制备了cr的氮化物，但膜不连续，对基体的保护性较差。在金属双极板表面制备致密、耐腐蚀、导电性好并且与碳纸间接触电阻小的改性涂层，则可以提高基体金属的耐蚀性，降低质子交换膜燃料电池电堆的内阻，提高电堆输出性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有质子交换膜燃料电池不锈钢双极板表面改性技术的不足，提供一种质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面涂层结构的制备方法，在降低极板与碳纸之间接触电阻的同时，提高其耐腐蚀性，满足质子交换燃料电池高质量比功率和高体积比功率的发展要求。

本发明通过以下技术方案实现：不锈钢基材经机械打磨后，进行超声清 洗，然后在基材表面通过离子镀方法沉积由基层、中间层和最外层组成的多层涂层结构的改性层，获得表面改性的燃料电池不锈钢双极板。

所述不锈钢基材，其厚度为0.05mm～1mm。

所述机械打磨，其所用砂纸为600目～2500目。

所述基层，其为ti、ni、cu、au、ag中的一种或二种以上。

所述中间层，其为cr、al、v、co、pt中的一种或二种以上。

所述最外层，其为cr、ti、ni、al、v中的一种或多种的氮化物。

所述离子镀，其真空度为1×10^-2pa～10pa。

所述离子镀，其沉积电流为20a～120a。

所述离子镀，其沉积时间总共为10min～200min。

所述基层、中间层和最外层，其厚度分别在10nm～1μm、10nm～1μm和100nm～30μm之间。

本发明选择的不锈钢厚度为0.05mm～1mm，由于不锈钢的机械加工性能较好，用此种方法改性的双极板可采用较成熟的金属板加工工艺进行流场等部件的加工。基层金属具有较好的耐局部腐蚀能力，起到阻隔局部腐蚀的作用。中间层金属与最外层所用金属晶格常数相近，能有效缓解涂层的应力，提高最外层的耐久性。最外层具有电阻率低、耐腐蚀、与碳纸之间接触电阻小等特性。150牛顿每平方厘米压紧力下，316l不锈钢的接触电阻为421毫欧姆平方厘米，而改性样品的接触电阻可降低到4.2毫欧姆平方厘米。0.5摩尔每升硫酸溶液中，316l不锈钢的腐蚀电流为177.8微安每平方厘米，而改性样品的腐蚀电流为0.18微安每平方厘米。改性层显著降低了不锈钢与碳纸间的接触电阻和腐蚀电流。此外，改性层价格较低而且易得，适合大规模应用，可降低质子交换膜燃料电池的成本。

附图说明

图1是实施例1表面改性样品和316l不锈钢与碳纸之间接触电阻随压力变化的示意图。

图2是实施例1表面改性样品和316l不锈钢在0.5摩尔每升硫酸溶液中的极化曲线示意图。

图3是本发明实施例1的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

取0.1mm厚的316l不锈钢板，裁剪为100mm×150mm的基材，用600目～2000目砂纸逐级打磨；用丙酮和水超声清洗30min；抽真空至1×10^-3pa～1×10^-2pa，充入氩气调节压力为0.8pa～1.2pa之间，沉积ti基层，电流60a，时间10min。关闭ti靶，开启cr靶，沉积中间层，电流60a，时间10min。通入氮气，调整压力为1pa～1.5pa之间，沉积最外层，靶电流60a，时间40min。 实施例2：

取0.5mm厚的316l不锈钢板，裁剪为100mm×150mm的基材，用600目～2000目砂纸逐级打磨；用丙酮和水超声清洗30min；抽真空至3×10^-3pa～7×10^-3pa，充入氩气调节压力为0.8pa～1.1pa之间，沉积cu基层，电流70a，时间15min。关闭cu靶，开启v靶，沉积中间层，电流70a，时间10min。关闭v靶，通入氮气调整压力为1pa～1.3pa之间，开启ti靶，沉积最外层，电流65a，时间35min。

实施例3：

取1mm厚的316l不锈钢板，裁剪为100mm×150mm的基材，用600目～2000目砂纸逐级打磨；用丙酮和水超声清洗30min；抽真空至5×10^-3pa～9×10^-3pa，充入氩气调节压力为1.5pa～1.9pa之间，沉积ag过渡层，电流60a，时间15min。关闭ag靶，开启al靶，沉积中间层，电流100a，时间10min。关闭al靶，通入氮气调整压力为1.6pa～1.9pa之间，开启v靶，沉积最外层，电流100a，时间30min。

本发明工艺参数上下限取值都可能实现本发明，在此不一一列举实施例。

技术特征：

技术总结
本发明涉及质子交换膜燃料电池领域中一种金属双极板表面新型改性方法。这种改性双极板由基体不锈钢和表面改性层两部分组成，改性层通过离子镀方法沉积于基体不锈钢表面，并分为基层、中间层和最外层三部分。本发明能够提高基体不锈钢的耐腐蚀性能，降低双极板与扩散层材料(碳纸)的接触电阻，能用冲压等方式对其进行加工，用其组装的电堆质量比功率和体积比功率得到提高。

技术研发人员：侯明;王胜利;赵卿;洪绍景;姜永燚;王禛;邵志刚
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：2016.03.01
技术公布日：2017.09.08