專利名稱：一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及燃料電池雙極板制造技術。
背景技術：
現(xiàn)有技術中，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成，來 滿足雙極板對導電性和耐蝕性的要求。專利號為CN200610125191. X的專利技術涉及一種 質子交換膜燃料電池雙極板及其制備方法，雙極板由導電陶瓷和石墨兩組分混合后經(jīng)熱壓 燒結而成，其不足是該雙極板的力學性能和導電能力難以和金屬雙極板相比。專利號為 CN200810086375. 9，CN200810086374. 4 和 CN200810086373. X 的專利技術涉及三種金屬雙 極板表面導電陶瓷改性薄膜的制備方法，其不足是通常導電陶瓷的導電性難以達到很高的 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
本發(fā)明的目的在于提供一種質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電能力。本發(fā)明的技術方案是一種質子交換 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合層。本發(fā)明所述的一種質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 間層上的碳基膜復合層是碳、碳化鈦和金屬鈦混合的碳基膜復合層。本發(fā)明所述的一種質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 間層上的碳基膜復合層中，碳元素原子百分比占50% 95%，鈦元素原子百分比占5% 50%。本發(fā)明所述的一種質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合層的厚度在0. 2 5 微米之間。本發(fā)明所述的一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板的制備方法，包括對基體 金屬薄板表面清理和金屬薄板表面改性處理，對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，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合層。本發(fā)明所述的一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板的制備方法，其特征在于所 述在金屬鈦中間層上沉積碳基膜復合層是在沉積真空室內(nèi)對金屬雙極板的金屬鈦中間層 同時進行鈦靶和碳靶反應磁控濺射鈦靶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；時間30min。本發(fā)明所述的一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板的制備方法，其特征在于所 述在金屬鈦中間層上沉積碳基膜復合層時，伴有碳和鈦的反應，生成碳化鈦。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點雙極板的表面改性層材料以碳為主。碳是PEMFC中應用最 廣泛的材料，催化劑載體、擴散層和傳統(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。而且，雙極板表面碳膜與擴散層碳紙為同一材質，接觸電阻有望 降到非常低的程度。使雙極板具有優(yōu)良的導電性能，可以顯著降低質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有助于增強碳基膜與鈦中間層間的結合力。TiC是在鈦中 間層的基礎上，在表面碳膜的沉積過程中通過反應生成的。因此TiC與鈦層間有很好的結 合，而且對碳有“鉚釘”作用，使表面碳層不易脫落。TiC具有耐高溫、抗氧化、強度高、導熱 性良好等優(yōu)異性能。TiC優(yōu)良的導電性和在模擬PEMFC環(huán)境下的耐腐蝕性能已經(jīng)被證實。 因此，碳基膜中的少量TiC可以顯著增強復合結構薄膜的穩(wěn)定性而不影響使用性能。第三，以具有一定厚度的金屬鈦作為中間層。鈦本身具有很強的耐強酸和強堿腐 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雙極板的耐腐蝕性能。鈦奪 取氧的能力很強，在鈦表面易生成一層極薄的致密的氧化物保護膜，可以抵抗強酸甚至王 水的作用，表現(xiàn)出強的抗腐蝕性。因此，即使表層碳基薄膜受到破壞，露出的鈦也會自然生 成保護膜，防止腐蝕進一步發(fā)生。具有有多層保護作用，保護層可以互相彌補，從而顯著延 長雙極板的使用壽命。第四，材料成本低廉，有助于降低整個燃料電池系統(tǒng)的成本，提高整體競爭力。


本發(fā)明共有附圖1幅，是本發(fā)明的雙極板的結構示意圖，附圖中，1、雙極板基體， 2、金屬鈦中間層，3、碳基膜復合層，4、碳基膜復合層中的金屬鈦，5、碳基膜復合層中的碳化 鈦。
具體實施例方式實施例1實施例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 技術制備改性層。改性層分別為金屬鈦中間層2和碳基膜復合層3，在碳基膜復合層3中， 含有金屬鈦顆粒4和碳化鈦顆粒5。制備該改性層時，磁控濺射設備內(nèi)有6個對稱靶位，3 個鈦靶和3個碳靶分別相對。成膜過程中，被鍍樣品自轉的同時繞真空室公轉。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IOOmmX IOOmmX 1. Omm的 雙極板基體夾在掛具上。真空室密封后，用機械泵抽真空至2Pa，然后用分子泵抽真空至 3 X IO^3Pa0在100°C，40W功率，0. 25KV電壓，0. 20A電流下鈦靶進行反應磁控濺射，時間為 30min。此時金屬鈦中間層2厚度為1微米。而后在100°C，鈦靶和碳靶同時進行反應磁控 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；時間30min，此時碳基膜復合層3厚度為2微米。冷卻后取出既獲得表面具有碳 基膜復合層的雙極板。實施例2實施例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 濺射技術制備改性層。改性層分別為金屬鈦中間層2和碳基膜復合層3，在碳基膜復合層3中，含有金屬鈦顆粒4和碳化鈦顆粒5。制備該改性層時，在鈦合金雙極板上通過離子鍍 技術制備改性層。設備內(nèi)有6個對稱靶位，3個鈦靶和3個碳靶分別相對。成膜過程中，被 鍍樣品自轉的同時繞真空室公轉。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IOOmmX IOOmmX 1. Omm的雙極板基體夾在掛具上。真空室密封后，用機械泵 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 電流下鈦靶進行反應磁控濺射，時間為lOmin。此時金屬鈦中間層2厚度為0. 5微米。而后 在100°C，鈦靶和碳靶同時進行反應磁控濺射鈦靶60W功率，0. 25KV電壓，0. 20A電流下工 作；碳靶IOOW功率，0. 25KV電壓，0. 40A電流下工作；時間60min，此時碳基膜復合層3厚度 為1.5微米。冷卻后取出既獲得表明具有碳基膜復合層的雙極板。
權利要求
一種質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)上的碳基膜復合層(3)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種質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⑵上的碳基膜復合層⑶是碳、碳化鈦(5)和金屬鈦⑷混合的碳基膜復合 層。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種質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)上的碳基膜復合層中，碳元素原子百分比占50% 95%，鈦元素原子百分 比占 5%~ 50%。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種質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)上的碳基膜復合層(3) 的厚度在0.2 5微米之間。
5.權利要求1所述的一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板的制備方法，包括對基 體金屬薄板表面清理和金屬薄板表面改性處理，對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，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(2)，再在金屬鈦中間層上沉積碳基膜復合層(3)。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板的制備方法，其特征 在于所述在金屬鈦中間層上沉積碳基膜復合層(3)是在沉積真空室內(nèi)對金屬雙極板的金 屬鈦中間層同時進行鈦靶和碳靶反應磁控濺射鈦靶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；時間30min。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種質子交換膜燃料電池用金屬雙極板的制備方法，其特征 在于所述在金屬鈦中間層上沉積碳基膜復合層(3)時，伴有碳和鈦的反應，生成碳化鈦。
全文摘要
一種質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合層。金屬鈦中間層上的碳基膜復合層是碳和碳化鈦和金屬鈦混合的碳基膜復合層。本發(fā)明的優(yōu)點是金屬雙極板基體上有多層保護，保護層可以互相彌補，使雙極板具有極強的耐腐蝕性能，從而顯著延長雙極板的使用壽命；同時雙極板具有優(yōu)良的導電性能，可以顯著降低質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，有助于降低整個燃料電池系統(tǒng)的成本，從而提高整體競爭力。
文檔編號H01M4/88GK101800318SQ20101014401
公開日2010年8月11日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權日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:新源動力股份有限公司