专利名称：轻金属表面改性燃料电池双极板的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金属基燃料电池双极板的制备方法。
背景技术：
质子膜燃料电池具有清洁、高效、可移动、操作条件温和等特点，在交通运输、航空航天及电子通讯等领域具有重要的应用价值。双极板是将单电池串联起来的极板材料，需要满足多方面的性能要求。即良好的导电性、优良的耐腐蚀性(包括酸性腐蚀、氧化潮湿腐蚀、电极电位腐蚀)、良好的气密性、足够的机械强度、较低的密度及相对低廉的成本。
目前使用的双极板材料为石墨，这主要基于石墨良好的导电性及耐腐蚀性、抗氧化性等。但由于石墨机械性能较差、流道机加工困难、需用复杂的工艺措施解决介质渗透等问题，因此石墨双极板的加工价格很高，占燃料电池成本的40-60％，成为燃料电池研发中急待解决的问题。
利用金属材料制备双极板的主要出发点在于金属材料具有良好的塑性，流场可直接冲压成型，因此也有望大幅度降低加工成本，同时金属可轧制成0.1-0.2mm的片材，有望获得高比功率，最大限度压缩体积。另外金属材料导电导热性好，气密性好，机械强度高。但金属材料最致命的弱点是耐腐蚀性差，如何提高金属材料的耐腐蚀性是首先需要解决的问题。
不同的金属材质，解决耐腐蚀性的方法不同。研究最多的是铁基合金，这主要是因为铁价格低廉。但铁的表面接触电阻大，同时铁离子对电池液的污染导致电池性能与寿命下降。因而对铁基金属板进行表面处理是其广泛应用的关键。多位研究者研究铁基表面沉积TiN的结果并不理想，发现TiN涂层易从基体表面脱落，在燃料电池中的寿命很短，这主要是TiN与铁基结合不良，同时TiN膜中存在针孔所致。美国Oak Ridge国家实验室研究了(Ni-50Cr)合金1100℃渗氮，在表面形成CrN与Cr2N梯度膜，消除了针孔影响，耐腐蚀性显著提高，燃料电池中运行1000小时没有产生污染。但由于基材价格贵，不具备商业价值。随后他们改用高Ni、Cr含量的不锈钢进行渗氮处理，虽然不锈钢表面也形成了Cr2N，但膜不连续，难以满足燃料电池耐腐蚀的要求。台湾Yuan Ze大学利用PVD在Al表面沉积了TiN、TiCN等多层膜，接触电阻显著降低，耐腐蚀性也得到有效提高。但电池运行实验表明，仅能运行200小时。英国Hodgson在钛表面制备了FC5涂层，接触电阻接近10mΩ.cm2，电池运行寿命达8000小时。但FC5涂层技术却极为保密，目前没有任何资料可查。目前为止所尝试的各种方法中都还没有获得商业应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼具良好耐腐蚀性与导电性的轻金属表面改性燃料电池双极板的制备方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是轻金属表面改性燃料电池双极板的制备方法，其特征在于它包括如下步骤1)以0.15-0.6mm的钛板为基体，剪裁成指定尺寸；2)放入模具中，采用冲压或模压技术，制备出流场结构；3)将具有流场结构的钛板放入超声清洗机中进行清洗，去除表面杂质；3)利用渗氮技术对清洗后具有流场结构的钛板表面进行改性处理，获得轻金属表面改性燃料电池双极板。
所述的利用渗氮技术对清洗后具有流场结构的钛板表面进行改性处理为平均升温速率3～5℃/min，离子氮化温度650-850℃，保温时间30-60分钟，氮气压力60-150Pa，气体流量80-120mL/min，电压0.5-0.7KV，电流10-50A。
虽然针对钛合金零部件的离子渗氮工艺已比较成熟，但对0.1～0.6mm钛板的离子渗氮却未见报道。因为所需的TiN渗层控制极为关键，如果渗层过深，钛板整体变脆，渗层过浅，虽然钛板柔韧性较好，但如果渗层存在针眼或达不到一定厚度，耐腐蚀性又无法满足要求，因此存在最佳渗层，其控制工艺与传统渗氮不同。传统渗氮升温速率较快，本渗氮工艺分段控制，升温速率较慢，但保温时间较短。
本发明选择0.1-0.6mm的钛板为基体金属，通过压力成型获得设计的流场，通过渗氮技术在钛板表面形成梯度过渡的致密TiN膜，既保证耐腐蚀性，又满足导电性的要求。钛基渗氮的技术优势在于(1)膜与基体梯度结合，膜不易脱落；(2)膜表面无针孔、致密，与Ni-50Cr渗氮的效果类似，有效耐腐蚀。
本发明的有益效果是工艺简单，可以批量获得表面处理的钛板，渗层致密，不易脱落；渗氮处理后的双极板不仅具有优异的耐腐蚀性，而且具有良好的力学性能和导电性；获得的轻金属表面改性燃料电池双极板兼具良好耐腐蚀性与导电性。
图1是本发明的制备工艺流程2是本发明实施例2的断面微观分析图具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1如图1所示，取0.15mm厚的钛板，剪裁为100×200的片材，采用常规冲压或模压技术，制备出流场结构，放入超声清洗机中清洗3分钟；随后放入离子氮化炉中进行渗氮处理，采用纯氮气，升温速率3℃/min，氮气压力为150Pa，气体流量120mL/min，电压0.5KV，电流30A，在750℃，保温40分钟。氮化处理后的片材进行性能测试，抗压强度36MPa，接触电阻18mΩ.cm2，腐蚀电流密度11μA/cm2。
实施例2取0.3mm厚的钛板，剪裁为120×200的片材，采用常规冲压或模压技术，制备出流场结构，放入超声清洗机中清洗3分钟；随后放入氮化炉中进行渗氮处理，采用纯氮气，升温速率3℃/min，氮气压力为100Pa，气体流量120mL/min，电压0.5KV，电流35A，在800℃保温60分钟。氮化处理后的片材进行微观结构分析与性能测试，表面形成了TiN、Ti2N梯度过渡层，TiN层厚3.8μm(见图2)。抗压强度53MPa，接触电阻16mΩ.cm2，腐蚀电流密度10μA/cm2。
实施例3取0.6mm厚的钛板，剪裁为100×200的片材，采用常规冲压或模压技术，制备出流场结构，放入超声清洗机中清洗3分钟；随后放入离子氮化炉中进行渗氮处理，采用纯氮气，升温速率3℃/min，氮气压力为150Pa，气体流量110mL/min，电压0.6KV，电流40A，在650℃，保温60分钟；获得轻金属表面改性燃料电池双极板。
本发明的渗氮处理的工艺参数的上下限取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
权利要求
1.轻金属表面改性燃料电池双极板的制备方法，其特征在于它包括如下步骤1)以0.15-0.60mm的钛板为基体，剪裁成指定尺寸；2)放入模具中，采用冲压或模压技术，制备出流场结构；3)将具有流场结构的钛板放入超声清洗机中进行清洗，去除表面杂质；3)利用渗氮技术对清洗后具有流场结构的钛板表面进行改性处理，获得轻金属表面改性燃料电池双极板。
2.根据权利要求1所述的轻金属表面改性燃料电池双极板的制备方法，其特征在于所述的利用渗氮技术对清洗后具有流场结构的钛板表面进行改性处理为平均升温速率3～5℃/min，离子氮化温度650-850℃，保温时间30-60分钟，氮气压力60-150Pa，气体流量80-120mL/min，电压0.5-0.7KV，电流10-50A。
全文摘要
本发明涉及一种金属基燃料电池双极板的制备方法。轻金属表面改性燃料电池双极板的制备方法，其特征在于它包括如下步骤1)以0.15－0.60mm的钛板为基体，剪裁成指定尺寸；2)放入模具中，采用冲压或模压技术，制备出流场结构；3)将具有流场结构的钛板放入超声清洗机中进行清洗，去除表面杂质；3)利用渗氮技术对清洗后具有流场结构的钛板表面进行改性处理，获得轻金属表面改性燃料电池双极板。本发明的优点在于工艺简单，适宜大规模生产；膜质量高，与基体结合牢固。获得的轻金属表面改性燃料电池双极板兼具良好耐腐蚀性与导电性。
文档编号B23P23/04GK101055927SQ20071005130
公开日2007年10月17日 申请日期2007年1月18日 优先权日2007年1月18日
发明者张东明, 潘牧, 袁润章, 刘晶, 陈勇国, 沈春晖 申请人:武汉理工大学, 武汉理工新能源有限公司