專利名稱：：質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的復(fù)合離子注入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種燃料電池
技術(shù)領(lǐng)域：
的極板表面改性方法，具體是一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的復(fù)合離子注入方法。
背景技術(shù)：
：質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是以氫氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，工作溫度一般在60100'C的將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。在全球環(huán)境污染日益嚴(yán)重、化石能源日趨枯竭的情況下，因其具有高效、節(jié)能、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而備受各國(guó)政府和研究機(jī)構(gòu)的重視。隨著PEMFC在汽車等交通工具中的應(yīng)用，它作為新一代能源技術(shù)，會(huì)逐漸滲透到社會(huì)各行各業(yè)乃至普通家庭。但PEMFC過高的成本限制其大規(guī)模的推廣應(yīng)用。作為PEMFC關(guān)鍵部件之一的雙極板，在電堆重量和生產(chǎn)成本中占據(jù)相當(dāng)大的比例，因此選擇合適的材料用作燃料電池的雙極板對(duì)降低質(zhì)子交換膜燃料電池的成本、重量比能量和體積比能量都具有十分重要的意義。雙極板在PEMFC中具有收集電流并將其從一個(gè)電池的陽極傳導(dǎo)到下一個(gè)電池的陰極，同時(shí)在陽極表面均勻地分配燃料氣體，在陰極表面均勻分配氧氣/空氣的作用。除此之外，它還必需有冷卻流體通過電堆的通道并保證冷流體和反應(yīng)物氣體分離?，F(xiàn)在，雙極板主要采用石墨、金屬材料和碳復(fù)合材料進(jìn)行制作。導(dǎo)電良好、易于加工流場(chǎng)的石墨雙極板為PEMFC的商業(yè)化進(jìn)程奠定了良好的開端，也是PEMFC廣泛采用的極板材料，但其機(jī)械強(qiáng)度差、加工成本^"使其在PEMFC的工業(yè)化應(yīng)用中缺乏足夠的競(jìng)爭(zhēng)力。復(fù)合石墨板、柔性石墨及薄層金屬板都是非常有潛力的雙極板替換材料，而薄層金屬雙極板不僅易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，也可以制成薄板(0.10.3mm)而直接沖壓成形，大幅度提高電堆比功率，是最有競(jìng)爭(zhēng)力的極板材料。然而，PEMFC雙極板的兩側(cè)分別為濕的氧化劑與濕的還原劑，由于離子體會(huì)微量溶解而使電化學(xué)反應(yīng)所生成的水具有微弱酸性(并含有SO/—、F—、C1—等)，以一般金屬材料作為雙極板時(shí)，會(huì)發(fā)生輕微腐蝕而導(dǎo)致電極觸媒的活性降低。另外，由于金屬材料會(huì)在燃料電池電解液中發(fā)生鈍化，從而增大了金屬雙極板與碳紙的表面接觸電阻，導(dǎo)致燃料電池的輸出功率降低。因此，PEMFC金屬雙極板可以采用一些本身耐腐蝕性能就比較優(yōu)異的合金體系用作金屬雙極板材料或在耐蝕性不理想的合金表面進(jìn)行改性。金板和鎳板由于其優(yōu)異的耐腐蝕性能和低的表面接觸電阻而被用于質(zhì)子交換膜燃料電池的金屬雙極板，但是其缺點(diǎn)是成本過高，商業(yè)化生產(chǎn)有很大困難。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，H.Wangetal.在〈〈01117^1ofPowerSources>>(能源雜志)(2004年138期79—85頁)上發(fā)表的"ThermallynitridedstainlesssteelforpolymerelectrolytemembranefuelcellbipolarplatePart2:BeneficialmodificationofpassivelayeronAISI446，，(熱滲氮不銹鋼用作質(zhì)子交換膜燃料電池2:對(duì)AISI446不銹鋼鈍化膜的有益改性)指出在IIOO'C滲氮2小時(shí)可以顯著提高不銹鋼的耐腐蝕性能，但是其不足之處在于過高的溫度會(huì)使經(jīng)沖壓成型的不銹鋼雙極板產(chǎn)生熱變形。此外，YanWang等人在(UournalofPowerSources》(能源雜志)(2007年165期293—298頁)上發(fā)表的"AninvestigationintoTiN-coated316LstainlesssteelasabipolarplatematerialforPEMfuelcells，，(關(guān)于TiN鍍層改性316L不銹鋼用作PFMFC雙極板材料的研究)研究了TiN鍍層對(duì)不銹鋼用在燃料電池中的性能。雖然其腐蝕電勢(shì)向正向移動(dòng)了，并且鈍化電流有所降低，但是TiN鍍層具有一定的涂層缺陷，從長(zhǎng)期工作環(huán)境來看，防腐蝕性能有限。綜上所述，金屬雙極板應(yīng)用的兩大難題一耐蝕性和導(dǎo)電性一仍然亟待解決。因此，開發(fā)一種既能提高金屬雙極板在燃料電池環(huán)境下的耐蝕性，又不影響其導(dǎo)電性能的改性方法，對(duì)降低雙極板的成本和延長(zhǎng)其使用壽命顯得非常必要。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的復(fù)合離子注入方法，使其能夠進(jìn)一步提高金屬雙極板的耐腐蝕性能、降低金屬雙極板與氣體擴(kuò)散層(碳紙)的接觸電阻，以滿足質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展要求。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于由表面改性層和基體不銹鋼構(gòu)成的雙極板，本發(fā)明采用高能離子注入的方法將鎳、鉻和銅中的兩種元素的任意組合或者全部三種元素注入到不銹鋼薄板中，在不銹鋼薄板表面幾十納米范圍內(nèi)形成注入層，得到改性后的不銹鋼雙極板。因?yàn)樽⑷雽訛榭山档捅砻娼佑|電阻和提高耐蝕性的表面合金化層，所以改性后的不銹鋼雙極板耐腐蝕性提高且接觸電阻降低。注入元素可以是鎳、鉻、銅中的兩種元素的任意組合或者全部三種元素。所述離子注入，其加速電壓為1060KeV，束流強(qiáng)度為1uA10uA。所述離子注入，其真空度為1X10—4pa3X10—3Pa。所述離子注入，其注入劑量范圍為lX1016lX1018ions/cm2。所述注入層，其厚度為10nm100nm。所述不銹鋼薄板，其厚度為0.1mm0.5mm。所述不銹鋼薄板，在離子注入前進(jìn)行除油、干燥處理。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明采用離子注入技術(shù)，注入時(shí)雙極板表面溫度僅為100°C200°C，可以有效的防止經(jīng)沖壓變形的不銹鋼雙極板的熱回彈，從而避免了不銹鋼板由于熱回彈產(chǎn)生的不平度的增大；并且可以在不銹鋼表面形成耐腐蝕性較好的耐蝕層，把不銹鋼的腐蝕電位從一0.3V提高到0.IV，在陰極環(huán)境中鈍化電流密度由12微安每平方厘米降低到6微安每平方厘米；相對(duì)于其他鎳及其合金極板大大的降低了雙極板的材料成本；一定程度上降低了不銹鋼和碳紙之間的表面接觸電阻，在180牛頓每平方厘米的壓緊力下，從351毫歐姆平方厘米到36毫歐姆平方厘米；可以制成較薄的金屬雙極板，提高PEMFC的質(zhì)量比能量和體積比能量，從而降低質(zhì)子交換膜燃料電池的成本，促進(jìn)了其進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。圖1是316L不銹鋼和經(jīng)復(fù)合離子注入后的不銹鋼與碳紙的接觸電阻隨壓力變化的示意圖。圖2是316L不銹鋼和經(jīng)復(fù)合離子注入后的不銹鋼在模擬陰極環(huán)境下的極化曲線示意圖。圖3是本發(fā)明掃描電子顯微鏡其中a是316L不銹鋼在燃料電池工作環(huán)境下腐蝕后的掃描電子顯微鏡圖；b是經(jīng)復(fù)合離子注入后的316L不銹鋼在燃料電池工作環(huán)境下腐蝕后的掃描電子顯微鏡圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。取316L不銹鋼經(jīng)常規(guī)打磨、水洗、醇洗，脫脂吹干后，放入多功能離子鍍膜機(jī)內(nèi)進(jìn)行抽真空，待真空度到達(dá)13X10—3Pa時(shí)開始復(fù)合離子注入，注入時(shí)加速電壓為1060KeV，束流強(qiáng)度為110uA。具體工藝參數(shù)見下表表1不同工藝條件處理的不銹鋼雙極板<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>改性后的不銹鋼雙極板與氣體擴(kuò)散層(碳紙)的接觸電阻和壓力的關(guān)系見圖1。如圖1所示，是316L不銹鋼和經(jīng)復(fù)合離子注入的不銹鋼與碳紙的接觸電阻隨壓力變化的示意圖。圖中，橫坐標(biāo)是壓力，單位為牛頓/平方厘米；縱坐標(biāo)為表面接觸電阻，單位為毫歐*平方厘米；黑色方塊B代表原始材料雙極板，黑色圓形參代表實(shí)施例1經(jīng)離子注入后的316L不銹鋼板。在燃料電池模擬陰極環(huán)境(0.5mol/LH2S04+2卯mHF溶液，80°C，通空氣)中的極化曲線見圖2。圖2是316L不銹鋼和經(jīng)復(fù)合離子注入的不銹鋼在模擬陰極環(huán)境下的極化曲線示意圖。圖2中橫坐標(biāo)是電勢(shì)，單位是伏特，參比電極為飽和甘汞電極；縱坐標(biāo)為電流密度，單位是安培/平方厘米；黑色曲線代表316L不銹鋼板，其余分別代表實(shí)施例1實(shí)施例5經(jīng)復(fù)合離子注入后的316L不銹鋼板。圖3a、b是316L不銹鋼和經(jīng)過復(fù)合離子注入的316L不銹鋼在燃料電池工作環(huán)境中工作一段時(shí)間的SEM掃描圖片。由圖可見，未經(jīng)處理的316L不銹鋼在燃料電池工作環(huán)境中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。而經(jīng)過復(fù)合粒子注入后，金屬雙極板的表面幾乎沒有發(fā)生腐蝕。由圖可見，經(jīng)過復(fù)合離子注入后，不銹鋼與碳紙的接觸電阻減小且耐腐蝕性能有很大提高。以注入實(shí)施例l為例，在180N/ci^的壓力下，316L不銹鋼與碳紙的接觸電阻是351mQ.cm2，而經(jīng)復(fù)合離子注入后為36mQcm2。在模擬陰極環(huán)境中，316L不銹鋼的電流密度為11.26yA/cm2，經(jīng)過復(fù)合離子注入后其電流密度降低為6uA/cm2。權(quán)利要求1、一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的復(fù)合離子注入方法，其特征在于，采用離子注入的方法將鎳、鉻和銅中的兩種元素的任意組合或者全部三種元素注入不銹鋼薄板中，在不銹鋼薄板表面幾十納米范圍內(nèi)形成注入層，得到改性后的不銹鋼雙極板。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的復(fù)合離子注入方法，其特征是，所述離子注入，其加速電壓為10KeV60KeV，束流強(qiáng)度為1uA10uA。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的復(fù)合離子注入方法，其特征是，所述離子注入，其真空度為1X10—4Pa3Xl(T3Pa。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的復(fù)合離子注入方法，其特征是，所注入的離子，其注入劑量范圍為lX1016lX1018ionS/Cm2。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的復(fù)合離子注入方法，其特征是，所述注入層，其厚度為10nm100nm。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的復(fù)合離子注入方法，其特征是，所述不銹鋼薄板，其厚度為0.1mm0.5mm。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的復(fù)合離子注入方法，其特征是，所述不銹鋼薄板，在離子注入前進(jìn)行除油、干燥處理。全文摘要本發(fā)明涉及一種燃料電池
技術(shù)領(lǐng)域：
的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的復(fù)合離子注入方法，這種雙極板由表面改性層和基體不銹鋼構(gòu)成，采用離子注入的方法將鎳，鉻，銅中的其中兩種元素的任意組合或者全部三種元素離子注入不銹鋼薄板中，在不銹鋼薄板表面幾十納米范圍內(nèi)形成注入層，得到改性后的不銹鋼雙極板。本發(fā)明能夠進(jìn)一步提高金屬雙極板的耐腐蝕性能、降低金屬雙極板與氣體擴(kuò)散層(碳紙)的接觸電阻，能制成較薄的雙極板，提高燃料電池的重量比能量和體積比能量，以滿足質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展要求。文檔編號(hào)H01M8/02GK101393990SQ200810202638公開日2009年3月25日申請(qǐng)日期2008年11月13日優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日發(fā)明者凱馮,耀沈,珣蔡申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)