專(zhuān)利名稱(chēng)：一種含碳表面的燃料電池金屬雙極板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池制造技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的一種重要的多功能組件-Fe基金屬雙極板及其采用該雙極板的固體聚合物電解質(zhì)膜的燃料電池。
背景技術(shù)：
固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池具有室溫快速啟動(dòng)、高效率、無(wú)電解液流失、零污染、易排水和壽命長(zhǎng)等突出特點(diǎn)。不僅可以用于建設(shè)分散電站，也是一種軍民通用的可移動(dòng)電源。高成本阻礙了固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池大規(guī)模的市場(chǎng)應(yīng)用。因此，為了實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，降低成本已經(jīng)引起各國(guó)政府的高度關(guān)注和研究。
作為一種重要的多功能組件，雙極板不僅能夠分隔氧化劑和還原劑，而且還能高效傳導(dǎo)電流。盡管傳統(tǒng)的石墨板具有良好的導(dǎo)電性和耐蝕性，但因其多孔和脆性使其難以加工低重量、低體積的電池組。另外，石墨板的成本約占固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池成本的80％。而金屬材料具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性、導(dǎo)電性和氣密性，是一種可以替代石墨的材料。采用金屬材料制作固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池雙極板可以提高電池組的質(zhì)量比功率和體積比功率。目前采用的雙極板金屬材料有鐵基合金、鋁及其鋁合金、鈦及其合金等。
固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的工作環(huán)境中含有SO42-、SO32-、CO32-、HSO4-和HSO3-等離子，這與固體聚合物電解質(zhì)膜的部分降解和電極的制備工藝有關(guān)。因此，在如此苛刻的環(huán)境中，金屬雙極板不可避免地要受到腐蝕。在金屬表面形成的鈍化膜導(dǎo)致界面接觸電阻增大，從而降低電池組的性能和功率輸出。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，通過(guò)表面改性技術(shù)來(lái)提高其表面導(dǎo)電性和耐蝕性對(duì)金屬雙極板的制備和生產(chǎn)具有重要的意義，也必將對(duì)固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的發(fā)展和廣泛應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。由于各國(guó)對(duì)金屬雙極板的表面處理技術(shù)始終處于保密狀態(tài)，僅有貴金屬、氮化物和氧化物涂層見(jiàn)諸報(bào)道。貴金屬涂層因其成本高而不適于生產(chǎn)低成本的電池組。氮化物和氧化物涂層采用CVD、PVD、電鍍等方法制備，則因其制備工藝固有特性的限制而生成難以避免的針孔等缺陷，引起涂層點(diǎn)蝕剝落早期失效。發(fā)展低成本、高表面導(dǎo)電性和良好耐蝕性的金屬雙極板是固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的必然趨勢(shì)。
涉及的相關(guān)專(zhuān)利CN 02 155 187.1，2002；CN 1 271 027-A，2001。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和耐蝕性，低成本、易于制造，能夠滿足固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池發(fā)展和大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用要求的含碳表面的燃料電池金屬雙極板及其制造方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池金屬雙極板，金屬基體為鐵基合金不銹鋼，表面改性層為高導(dǎo)電性和耐蝕性的含Cr合金碳化物。在不銹鋼的基體表面區(qū)域通過(guò)表面改性，形成高導(dǎo)電性和耐腐蝕的單相面心立方含Cr合金碳化物，其合金碳化物組成隨基體Fe基合金的成分變化而變化。碳含量從表面向基體方向逐漸降低直至基體原始含量。
一種固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池金屬雙極板，作為基體的鐵基合金奧氏體不銹鋼板的厚度為0.1～3mm，表面含Cr合金碳化物改性層厚度為1～50μm；基體中，按重量百分比，F(xiàn)e為40-75％，％Cr為15-25％，Ni為5-28％，Mo為0-4％，Mn為0～15％，Ti為0～1％，Cu為0～3％，Nb為0-2％。
制造一種固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池金屬雙極板的方法，將作為基體的鐵基合金奧氏體不銹鋼板表面暴露在工作氣體等離子氣氛下，處理溫度250～550℃，處理時(shí)間0.5～6小時(shí)；其中，形成離子氣氛的條件是，電壓400-850V，電流密度0.1～2mA/cm2，工作氣壓0.01～3kPa。
工作氣體是碳?xì)浠衔餁怏w與氫氣或者氬氣的混合氣體，按體積比，碳?xì)浠衔餁怏w為混合氣體的40-90％。
碳?xì)浠衔锸鞘峭轭?lèi)碳?xì)浠衔?、醇?lèi)碳?xì)浠衔锘驘N類(lèi)碳?xì)浠衔铩?br> 碳?xì)浠衔锸羌淄椤⒁胰病⒈?、甲醇或乙醇?br> 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果和益處是本發(fā)明采用低成本的高導(dǎo)電性和耐蝕性的滲擴(kuò)合金碳化物改性層代替貴金屬涂層，其成本大幅度降低。本發(fā)明的雙極板結(jié)構(gòu)改性層與基體結(jié)合為冶金結(jié)合，不存在腐蝕剝落失效。另外，本發(fā)明的制造方法工藝簡(jiǎn)單，制造成本低廉，可以批量生產(chǎn)薄金屬雙極板，從而提高電池組的質(zhì)量比功率和體積比功率。用該技術(shù)處理的金屬雙極板生產(chǎn)的低成本固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池可以應(yīng)用于大規(guī)模燃料電池生產(chǎn)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是本發(fā)明的處理形成表面合金氮化物的界面接觸電阻隨燃料電池堆組裝緊固壓力的變化圖。
圖中，橫坐標(biāo)為緊固壓力，其單位為牛頓/厘米2；縱坐標(biāo)為表面接觸電阻，單位為毫歐·厘米2。
具體實(shí)施例方式
將商用厚度為2mm的304L奧氏體不銹鋼薄板，置于低壓真空容器中，容器充入丙酮?dú)夥?，真空度保持?kPa，加750V電壓形成等離子氣氛，在460℃溫度處理5小時(shí)，表面為單相的組織，表面所生成的合金碳化物層厚度為30μm。陽(yáng)極極化曲線和在固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池工作條件下的恒電位極化均在0.05M H2SO4+2ppm F-的溶液中進(jìn)行。為了模擬固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的工作環(huán)境，所有電化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中均在溶液中通入H2或空氣。通過(guò)處理金屬雙極板界面接觸電阻明顯降低，是原來(lái)表面接觸電阻的1/10。鈍化電流密度小于10μA/cm2。
權(quán)利要求
1.一種含碳表面的燃料電池金屬雙極板，其特征在于，作為基體的鐵基合金奧氏體不銹鋼板的厚度為0.1～3mm，表面含Cr合金碳化物改性層厚度為1～50μm；基體中，按重量百分比，F(xiàn)e為40-75％，％Cr為15-25％，Ni為5-28％，Mo為0-4％，Mn為0～15％，Ti為0～1％，Cu為0～3％，Nb為0-2％。
2.制造權(quán)利要求1所述的一種含碳表面的燃料電池金屬雙極板的方法，其特征在于，將作為基體的鐵基合金奧氏體不銹鋼板表面暴露在工作氣體等離子氣氛下，處理溫度250～550℃，處理時(shí)間0.5～6小時(shí)；其中，形成離子氣氛的條件是，電壓400-850V，電流密度0.1～2mA/cm2，工作氣壓0.01～3kPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種含碳表面的燃料電池金屬雙極板的制造方法，其特征在于，工作氣體是碳?xì)浠衔餁怏w與氫氣或者氬氣的混合氣體，按體積比，碳?xì)浠衔餁怏w為混合氣體的40-90％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種含碳表面的燃料電池金屬雙極板的制造方法，其特征在于，碳?xì)浠衔锸鞘峭轭?lèi)碳?xì)浠衔?、醇?lèi)碳?xì)浠衔锘驘N類(lèi)碳?xì)浠衔铩?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種含碳表面的燃料電池金屬雙極板的制造方法，其特征在于，碳?xì)浠衔锸羌淄?、乙炔、丙酮、甲醇或乙醇?br> 全文摘要
一種含碳表面的燃料電池金屬雙極板及其制造方法屬于燃料電池制造技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所涉及的固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的多功能組件——金屬雙極板。它由鐵基合金基體及具有高表面導(dǎo)電性和良好耐蝕性的表面改性層組成。改性層為單相。改性層相為合金碳化物，碳元素分布為從表面向基體方向逐漸降低。改性層厚度為1～50μm。本發(fā)明具有易于批量生產(chǎn)、加工成本低、表面接觸電阻低等優(yōu)點(diǎn)。能夠生產(chǎn)厚度為0.1～3mm的薄金屬雙極板，通過(guò)機(jī)械加工和沖壓的方法加工成各種流場(chǎng)，大幅度提高電池組的質(zhì)量比功率和體積比功率。適用于固體聚合物電解質(zhì)膜燃料電池制造領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1874033SQ20061004673
公開(kāi)日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者孫俊才, 季世軍, 文鐘晟, 李嵩, 田如錦 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)