專利名稱：一種質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及燃料電池雙極板制造技術(shù)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，金屬雙極板的表面都經(jīng)過表面改性處理或由兩種組份組合構(gòu)成，來 滿足雙極板對(duì)導(dǎo)電性和耐蝕性的要求。專利號(hào)為CN200610125191. X的專利技術(shù)涉及一種 質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板及其制備方法，雙極板由導(dǎo)電陶瓷和石墨兩組分混合后經(jīng)熱壓 燒結(jié)而成，其不足是該雙極板的力學(xué)性能和導(dǎo)電能力難以和金屬雙極板相比。專利號(hào)為 CN200810086375. 9，CN200810086374. 4 和 CN200810086373. X 的專利技術(shù)涉及三種金屬雙 極板表面導(dǎo)電陶瓷改性薄膜的制備方法，其不足是通常導(dǎo)電陶瓷的導(dǎo)電性難以達(dá)到很高的 水平，而且在燃料電池環(huán)境下的耐腐蝕性能也有待考察。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板及其表面改 性方法，使金屬雙極板具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和導(dǎo)電能力。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種 質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板，金屬雙極板表面有改性層，其特征在于所述金屬雙極 板表面改性層包括與金屬基板鄰接的金屬鈦中間層和金屬鈦中間層上的碳基膜復(fù)合層。本實(shí)用新型所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板，其特征在于所述金 屬鈦中間層的厚度在0. 2 5微米之間；所述金屬鈦中間層上的碳基膜復(fù)合層的厚度在 0. 2 5微米之間。金屬鈦中間層上的碳基膜復(fù)合層是碳、碳化鈦和金屬鈦混合的碳基膜 復(fù)合層，碳基膜復(fù)合層中，碳元素原子百分比占50% 95%，鈦元素原子百分比占5% 50%。本實(shí)用新型的金屬雙極板的制備方法包括對(duì)基體金屬薄板表面清理和金屬薄板 表面改性處理，對(duì)基體金屬薄板表面清理包括清除基體金屬薄板表面的鈍化膜和雜質(zhì)，其 特征在于所述金屬雙極板表面改性處理層的處理方法包括用電弧離子鍍和多靶磁控濺射 方法，但不限于上述方法，在金屬薄板表面沉積金屬鈦中間層，再在金屬鈦中間層上沉積碳 基膜復(fù)合層。在金屬鈦中間層上沉積碳基膜復(fù)合層是在沉積真空室內(nèi)對(duì)金屬雙極板的金 屬鈦中間層同時(shí)進(jìn)行鈦靶和碳靶反應(yīng)磁控濺射鈦靶40W功率，0. 25KV電壓，0. 20A電流下 工作；碳靶80W功率，0. 25KV電壓，0. 40A電流下工作；時(shí)間30min。在金屬鈦中間層上沉積 碳基膜復(fù)合層時(shí)，伴有碳和鈦的反應(yīng)，生成碳化鈦。本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)雙極板的表面改性層材料以碳為主。碳是PEMFC中應(yīng) 用最廣泛的材料，催化劑載體、擴(kuò)散層和傳統(tǒng)的純石墨雙極板，用的都是碳材料，碳在PEMFC 中的穩(wěn)定性已經(jīng)被廣泛證實(shí)。而且，雙極板表面碳膜與擴(kuò)散層碳紙為同一材質(zhì)，接觸電阻有 望降到非常低的程度。使雙極板具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，可以顯著降低質(zhì)子交換膜燃料電池 的內(nèi)阻，提高電池輸出性能。其次，表面碳層中的TiC有助于增強(qiáng)碳基膜與鈦中間層間的結(jié)合力。TiC是在鈦中間層的基礎(chǔ)上，在表面碳膜的沉積過程中通過反應(yīng)生成的。因此TiC與鈦層間有很好的結(jié) 合，而且對(duì)碳有“鉚釘”作用，使表面碳層不易脫落。TiC具有耐高溫、抗氧化、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱 性良好等優(yōu)異性能。TiC優(yōu)良的導(dǎo)電性和在模擬PEMFC環(huán)境下的耐腐蝕性能已經(jīng)被證實(shí)。 因此，碳基膜中的少量TiC可以顯著增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的穩(wěn)定性而不影響使用性能。第三，以具有一定厚度的金屬鈦?zhàn)鳛橹虚g層。鈦本身具有很強(qiáng)的耐強(qiáng)酸和強(qiáng)堿腐 蝕的能力。研究表明，采用耐腐蝕的中間層材料可以提高整個(gè)雙極板的耐腐蝕性能。鈦奪 取氧的能力很強(qiáng)，在鈦表面易生成一層極薄的致密的氧化物保護(hù)膜，可以抵抗強(qiáng)酸甚至王 水的作用，表現(xiàn)出強(qiáng)的抗腐蝕性。因此，即使表層碳基薄膜受到破壞，露出的鈦也會(huì)自然生 成保護(hù)膜，防止腐蝕進(jìn)一步發(fā)生。具有有多層保護(hù)作用，保護(hù)層可以互相彌補(bǔ)，從而顯著延 長雙極板的使用壽命。第四，材料成本低廉，有助于降低整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的成本，提高整體競爭力。
本實(shí)用新型共有附圖1幅，是本實(shí)用新型的雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖，附圖中，1、雙極板基體，2、金屬鈦中間層，3、碳基膜復(fù)合層，4、碳基膜復(fù)合層中的金屬鈦， 5、碳基膜復(fù)合層中的碳化鈦。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1實(shí)施例1是表面改性層厚度為3mm的純鈦雙極板。在純鈦雙極板上通過磁控濺射 技術(shù)制備改性層。改性層分別為金屬鈦中間層2和碳基膜復(fù)合層3，在碳基膜復(fù)合層3中， 含有金屬鈦顆粒4和碳化鈦顆粒5。制備該改性層時(shí)，磁控濺射設(shè)備內(nèi)有6個(gè)對(duì)稱靶位，3 個(gè)鈦靶和3個(gè)碳靶分別相對(duì)。成膜過程中，被鍍樣品自轉(zhuǎn)的同時(shí)繞真空室公轉(zhuǎn)。鈦靶和碳 靶純度均為99. 99%，厚度均為40mm，直徑均為80mm。將尺寸為lOOmmX lOOmmX 1. 0mm的 雙極板基體夾在掛具上。真空室密封后，用機(jī)械泵抽真空至2Pa，然后用分子泵抽真空至 3X 10_3Pa。在100°C，40W功率，0. 25KV電壓，0. 20A電流下鈦靶進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射，時(shí)間為 30min。此時(shí)金屬鈦中間層2厚度為1微米。而后在100°C，鈦靶和碳靶同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)磁控 濺射鈦靶40W功率，0. 25KV電壓，0. 20A電流下工作；碳靶80W功率，0. 25KV電壓，0. 40A電 流下工作；時(shí)間30min，此時(shí)碳基膜復(fù)合層3厚度為2微米。冷卻后取出既獲得表面具有碳 基膜復(fù)合層的雙極板。實(shí)施例2實(shí)施例2是表面改性層厚度為3mm的鈦合金雙極板。在鈦合金雙極板上通過磁控 濺射技術(shù)制備改性層。改性層分別為金屬鈦中間層2和碳基膜復(fù)合層3，在碳基膜復(fù)合層 3中，含有金屬鈦顆粒4和碳化鈦顆粒5。制備該改性層時(shí)，在鈦合金雙極板上通過離子鍍 技術(shù)制備改性層。設(shè)備內(nèi)有6個(gè)對(duì)稱靶位，3個(gè)鈦靶和3個(gè)碳靶分別相對(duì)。成膜過程中，被 鍍樣品自轉(zhuǎn)的同時(shí)繞真空室公轉(zhuǎn)。鈦靶和碳靶純度均為99. 99%，厚度均為40mm，直徑均為 80mm。將尺寸為lOOmmX lOOmmX 1. Omm的雙極板基體夾在掛具上。真空室密封后，用機(jī)械泵 抽真空至2Pa，然后用分子泵抽真空至3X10-3Pa。在100°C，60W功率，0. 25KV電壓，0.20A 電流下鈦靶進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射，時(shí)間為lOmin。此時(shí)金屬鈦中間層2厚度為0. 5微米。而后在100°C，鈦靶和碳靶同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射鈦靶60W功率，0. 25KV電壓，0. 20A電流下工 作；碳靶100W功率，0. 25KV電壓，0. 40A電流下工作；時(shí)間60min，此時(shí)碳基膜復(fù)合層3厚度 為1.5微米。冷卻后取出既獲得表明具有碳基膜復(fù)合層的雙極板。
權(quán)利要求一種質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板，金屬雙極板表面有改性層，其特征在于所述金屬雙極板表面改性層包括與金屬基板(1)鄰接的金屬鈦中間層(2)和金屬鈦中間層(2)上的碳基膜復(fù)合層(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板，其特征在于所述金 屬鈦中間層(2)的厚度在0. 2 5微米之間；所述金屬鈦中間層(2)上的碳基膜復(fù)合層(3) 的厚度在0.2 5微米之間。
專利摘要一種質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板，金屬雙極板表面有改性層，表面改性層包括與金屬基板鄰接的金屬鈦中間層和金屬鈦中間層上的碳基膜復(fù)合層。金屬鈦中間層上的碳基膜復(fù)合層是碳、碳化鈦和金屬鈦混合的碳基膜復(fù)合層。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是金屬雙極板基體上有多層保護(hù)，保護(hù)層可以互相彌補(bǔ)，使雙極板具有極強(qiáng)的耐腐蝕性能，從而顯著延長雙極板的使用壽命；同時(shí)雙極板具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，可以顯著降低質(zhì)子交換膜燃料電池的內(nèi)阻，提高電池輸出性能；改性層成本低廉，有助于降低整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的成本，提高整體競爭力。
文檔編號(hào)H01M4/86GK201717318SQ20102015544
公開日2011年1月19日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者付宇, 侯中軍, 劉常福, 明平文, 潘歡歡 申請人:新源動(dòng)力股份有限公司