专利名称：：一种带有表面涂层的燃料电池金属双极板的制作方法
技术领域：
：本发明属于质子交换膜燃料电池
技术领域：
，特别是涉及一种带有表面涂层的燃料电池金属双极板。
背景技术：
：质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、功率密度高，无电解液，生成物是纯净水，无污染问题，无需充电，寿命长，室温快速启动，无噪声，使用方便等优点，是电动汽车、电动自行车、机场电动推车、发电站、手机、笔记本电脑、应急电源、高速公路显示牌等的最佳候选电源，因此有关质子交换膜燃料电池及相关材料，特别是双极板的研究已经越来越受到国内外各大公司、研究机构及国家的重视。双极板技术是质子交换膜燃料电池技术的核心之一。一方面，双极板的体积和重量构成了燃料电池堆体积和重量的主要组成部分；另一方面，目前双极板的成本较高，已成为阻碍质子交换膜燃料电池商业化的主要要素之一。双极板在燃料电池中的功能主要包括l)分隔氧化剂和还原剂，不能透气；2)电子导电，需具备良好的导电性能；3)热的良导体，以保证电池的温度均匀分布和传热的实现；4)此外，重要的是，由于双极板长时间处于强氧化性、强还原性、高极化电位、酸性条件下，因此必须具有良好的防腐性能。另一方面，为了减轻电堆重量和体积，提高比功率，需要发展薄型双极板。目前质子交换膜燃料电池双极板材料主要采用石墨、碳复合材料和金属。其中石墨板密度小，耐腐蚀，无氢脆，但机械加工成本高，机械强度差、易碎，电阻较大，厚度难于进一步减薄，不利于降低电池堆的比功率和比能量；碳复合材料主要是由石墨粉和高分子树脂加工而成，在一定程度上可以改善石墨双极板的性能、以及降低双极板的成本，但是其加工工艺比较复杂，且其中的高分子材料对电池的长期稳定性还有待进一步的研究；金属双极板不仅具有较好的机械性能，如良好的导电和导热性能、零渗透不透气、材料成本低，而且可以直接冲压成型，易于加工和批量生产，厚度可以达到0.1mm-0.3mm,可以使燃料电池堆的重量和体积明显减小、比功率大幅度提高，并可以降低燃料电池堆的成本，是双极板材料的一种良好选择。目前常用的金属双极板材料主要有不锈钢和钛，未经表面处理的金属双极板在燃料电池工作环境下，容易发生化学腐蚀和电化学腐蚀，主要表现为(1)金属溶解、失电子、形成高价金属离子，这些离子被质子交换膜吸收，造成导电率下降；(2)腐蚀产物吸附在电极催化剂上，对催化剂起严重的毒化作用；(3)在阴极侧，由于获得电子，随着还原反应的进行，不断生长的金属氧化层则会导致电池内阻增加，影响燃料电池的性能和寿命。解决上述问题的主要思路是对金属双极板表面进行改性处理，开发一种既能提高其耐腐蚀性能、又不影响其电性能的新技术，这对双极板的研究和燃料电池的发展具有十分必要的意义。通常是在金属表面电镀金等贵金属，其一方面成本较高，另一方面电镀工艺比较复杂，批量生产时不容易被接受。CN1787262A专利发明了在不锈钢双极板表面合成一种聚吡咯耐蚀、导电涂层的改性方法，但是该方法在合成过程中需控制合成温度在(TC左右、避免光照、还需通入氮气或氩气进行保护，工艺比较复杂。US6372376提出了在铝、钛金属基体上涂覆聚合物复合导电层的方法，该方法虽然操作比较方便，但是提高电导率后复合导电层的应力集中问题不容易解决。
发明内容本发明为解决现有技术中存在的问题，提供了导电性能好、耐腐蚀、抗氧化和耐高温的带有表面涂层的燃料电池金属双极板。本发明为解决公知技术中存在的技术问题采用的技术方案是带有表面涂层的燃料电池金属双极板，包括金属基体，其特点是所述金属基体表面设置有氮化铬涂层。本发明还可以采取如下技术措施来实现带有表面涂层的燃料电池金属双极板，其特点是所述氮化铬涂层厚度为0.5,-10fim。带有表面涂层的燃料电池金属双极板，其特点是所述氮化铬涂层为致密、无针孔的薄膜。带有表面涂层的燃料电池金属双极板，其特点是所述金属基体材料为薄钛板或310、316、316L、304、904、904L、310、1Cr環i9Ti中任一种奥氏体不锈钢薄板。本发明具有的优点和积极效果是由于采用了金属化合物氮化铬涂层，使双极板具有优异的导电、耐腐蚀、抗氧化和耐高温的特性；釆用离子束表面改性技术，在基体表面形成一层薄膜，可以完全保持基体的形状和精度；涂层与基体间的结合力高、且涂层均匀致密，使双极板在燃料电池工作电位范围内具有长期的稳定性和良好的机械特性；可以制备超薄的金属双极板，降低电池堆的重量和体积，提高电池堆的比功率和比能量，从而具有良好的应用前景。图1为本发明燃料电池双极板结构示意图2为图1中A-A剖视图。图3为图2中B处的局部放大图。图中的标号分别为1、金属基体；2、氮化铬涂层。具体实施例方式为能进一步了解本发明的
发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下参照附图1-3，取321不锈钢作为燃料电池双极板的金属基体1，用800目金相砂纸打磨金属基体l表面后，用蒸馏水、丙酮进行清洗使金属基体l脱脂;然后用蒸镏水清洗金属基体1;将水洗后的金属基体1浸入配方为氢氧化钠80g/L~100g/L、碳酸钠30g/L~60g/L、磷酸三钠20g/L~30g/L，温度为80。C90。C的混合溶液中进行除油；然后再浸入配方为磷酸800mL/L、硫酸100mL/L、铬酐100g/L,温度为70。C80。C的混合溶液，在电压为8~10V,电流密度25A/dm240A/dm2，阴极材质为铅进行抛光，时间0.5min1.5min，完成预处理过程。将预处理后的金属基体1放入离子束表面改性系统的靶室中，抽真空，使靶室的基础真空度达到6x10—7乇，然后向靶室中通入99.999%高纯氮气，至靶室的真空度降到6xl(T乇，再将氮气通入离子源，在靶室的真空度为0.9xl(T5乇时，用20Kev能量的氩离子束对双极板部件表面进行预清洁处理。然后，用电子束蒸发99%的高纯铬，同时用35Kev能量的氩离子束连续轰击，使铬蒸发时吸附靶室中的氮气，获得3畔厚的致密氮化铬涂层。在模拟燃料电池工作环境下的溶液中进行动电位线性扫描，结果见表1。表l腐蚀电位和腐蚀电流比较<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>经表面改性后的不锈钢双极板与改性处理前相比，腐蚀电位发生明显正移,腐蚀电流密度减小，耐腐蚀性能明显提高。权利要求1.一种带有表面涂层的燃料电池金属双极板，包括金属基体，其特征在于所述金属基体表面设置有氮化铬涂层。2.根据权利要求l所述带有表面涂层的燃料电池金属双极板，其特征在于所述氮化铬涂层厚度为0.5^-lOp。3.根据权利要求1或2所述带有表面涂层的燃料电池金属双极板，其特征在于:所述氮化铬涂层为致密、无针孔的薄膜。4.根据权利要求l所述带有表面涂层的燃料电池金属双极板，其特征在于所述金属基体材料为薄钛板或310、316、316L、304、904、904L、310、1Crl8Ni9Ti中任一种奥氏体不锈钢薄板。全文摘要本发明属于一种带有表面涂层的燃料电池金属双极板，包括金属基体，其特点是所述金属基体表面设置有氮化铬涂层；所述氮化铬涂层厚度为0.5μm-10μm；所述氮化铬涂层为致密、无针孔的薄膜。该金属双极板具有优异的导电、耐腐蚀、抗氧化和耐高温的特性；通过采用离子束表面改性技术，在基体表面形成一层薄膜，可以完全保持基体的形状和精度；涂层与基体间的结合力高、且涂层均匀致密，使双极板在燃料电池工作电位范围内具有长期的稳定性和良好的机械特性；可以制备超薄的金属双极板，降低电池堆的重量和体积，提高电池堆的比功率和比能量，从而具有良好的应用前景。文档编号H01M4/86GK101192670SQ20061012948公开日2008年6月4日申请日期2006年11月22日优先权日2006年11月22日发明者任丽彬,浩刘,刘兴江,军张,李永辉,静金申请人:中国电子科技集团公司第十八研究所