CN100483813C - 一种含碳表面的燃料电池金属双极板及其制造方法 - Google Patents
一种含碳表面的燃料电池金属双极板及其制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN100483813C CN100483813C CNB2006100467334A CN200610046733A CN100483813C CN 100483813 C CN100483813 C CN 100483813C CN B2006100467334 A CNB2006100467334 A CN B2006100467334A CN 200610046733 A CN200610046733 A CN 200610046733A CN 100483813 C CN100483813 C CN 100483813C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hydrocarbon
- fuel cell
- metal double
- solid polymer
- matrix
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
一种含碳表面的燃料电池金属双极板及其制造方法属于燃料电池制造技术领域。本发明所涉及的固体聚合物电解质膜燃料电池的多功能组件—金属双极板。它由铁基合金基体及具有高表面导电性和良好耐蚀性的表面改性层组成。改性层为单相。改性层相为合金碳化物,碳元素分布为从表面向基体方向逐渐降低。改性层厚度为1~50μm。本发明具有易于批量生产、加工成本低、表面接触电阻低等优点。能够生产厚度为0.1~3mm的薄金属双极板,通过机械加工和冲压的方法加工成各种流场,大幅度提高电池组的质量比功率和体积比功率。适用于固体聚合物电解质膜燃料电池制造领域。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池制造技术领域。特别涉及固体聚合物电解质膜燃料电池的一种重要的多功能组件-Fe基金属双极板及其采用该双极板的固体聚合物电解质膜的燃料电池。
背景技术
固体聚合物电解质膜燃料电池具有室温快速启动、高效率、无电解液流失、零污染、易排水和寿命长等突出特点。不仅可以用于建设分散电站,也是一种军民通用的可移动电源。高成本阻碍了固体聚合物电解质膜燃料电池大规模的市场应用。因此,为了实现商业化应用,降低成本已经引起各国政府的高度关注和研究。
作为一种重要的多功能组件,双极板不仅能够分隔氧化剂和还原剂,而且还能高效传导电流。尽管传统的石墨板具有良好的导电性和耐蚀性,但因其多孔和脆性使其难以加工低重量、低体积的电池组。另外,石墨板的成本约占固体聚合物电解质膜燃料电池成本的80%。而金属材料具有优良的强韧性、导电性和气密性,是一种可以替代石墨的材料。采用金属材料制作固体聚合物电解质膜燃料电池双极板可以提高电池组的质量比功率和体积比功率。目前采用的双极板金属材料有铁基合金、铝及其铝合金、钛及其合金等。
固体聚合物电解质膜燃料电池的工作环境中含有SO4 2-、SO3 2-、CO3 2-、HSO4 -和HSO3 -等离子,这与固体聚合物电解质膜的部分降解和电极的制备工艺有关。因此,在如此苛刻的环境中,金属双极板不可避免地要受到腐蚀。在金属表面形成的钝化膜导致界面接触电阻增大,从而降低电池组的性能和功率输出。为了解决这两个问题,通过表面改性技术来提高其表面导电性和耐蚀性对金属双极板的制备和生产具有重要的意义,也必将对固体聚合物电解质膜燃料电池的发展和广泛应用产生深远的影响。由于各国对金属双极板的表面处理技术始终处于保密状态,仅有贵金属、氮化物和氧化物涂层见诸报道。贵金属涂层因其成本高而不适于生产低成本的电池组。氮化物和氧化物涂层采用CVD、PVD、电镀等方法制备,则因其制备工艺固有特性的限制而生成难以避免的针孔等缺陷,引起涂层点蚀剥落早期失效。发展低成本、高表面导电性和良好耐蚀性的金属双极板是固体聚合物电解质膜燃料电池的必然趋势。
涉及的相关专利:CN 02 155 187.1,2002;CN 1 271 027-A,2001。
发明内容
本发明的目的就是提供一种具有优良的导电性和耐蚀性,低成本、易于制造,能够满足固体聚合物电解质膜燃料电池发展和大规模市场应用要求的含碳表面的燃料电池金属双极板及其制造方法。
本发明的技术解决方案是:
一种固体聚合物电解质膜燃料电池金属双极板,金属基体为铁基合金不锈钢,表面改性层为高导电性和耐蚀性的含Cr合金碳化物。在不锈钢的基体表面区域通过表面改性,形成高导电性和耐腐蚀的单相面心立方含Cr合金碳化物,其合金碳化物组成随基体Fe基合金的成分变化而变化。碳含量从表面向基体方向逐渐降低直至基体原始含量。
一种固体聚合物电解质膜燃料电池金属双极板,作为基体的铁基合金奥氏体不锈钢板的厚度为0.1~3mm,表面含Cr合金碳化物改性层厚度为1~50μm;基体中,按重量百分比,Fe为40-75%,Cr为15-25%,Ni为5-28%,Mo为0-4%,Mn为0~15%,Ti为0~1%,Cu为0~3%,Nb为0-2%。
制造一种固体聚合物电解质膜燃料电池金属双极板的方法,将作为基体的铁基合金奥氏体不锈钢板表面暴露在工作气体等离子气氛下,处理温度250~550℃,处理时间0.5~6小时;其中,形成等离子气氛的条件是,电压400-850V,电流密度0.1~2mA/cm2,工作气压0.01~3kPa。
工作气体是碳氢化合物气体与氢气或者氩气的混合气体,按体积比,碳氢化合物气体为混合气体的40-90%。
碳氢化合物是烷类碳氢化合物、醇类碳氢化合物或烃类碳氢化合物。
碳氢化合物是甲烷、乙炔、丙酮、甲醇或乙醇。
本发明所达到的有益效果和益处是:
本发明采用低成本的高导电性和耐蚀性的渗扩合金碳化物改性层代替贵金属涂层,其成本大幅度降低。本发明的双极板结构改性层与基体结合为冶金结合,不存在腐蚀剥落失效。另外,本发明的制造方法工艺简单,制造成本低廉,可以批量生产薄金属双极板,从而提高电池组的质量比功率和体积比功率。用该技术处理的金属双极板生产的低成本固体聚合物电解质膜燃料电池可以应用于大规模燃料电池生产。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明的处理形成表面合金氮化物的界面接触电阻随燃料电池堆组装紧固压力的变化图。
图中,横坐标为紧固压力,其单位为牛顿/厘米2;纵坐标为表面接触电阻,单位为毫欧·厘米2。
具体实施方式
将商用厚度为2mm的304L奥氏体不锈钢薄板,置于低压真空容器中,容器充入丙酮气氛,真空度保持在1kPa,加750V电压形成等离子气氛,在460℃温度处理5小时,表面为单相的组织,表面所生成的合金碳化物层厚度为30μm。阳极极化曲线和在固体聚合物电解质膜燃料电池工作条件下的恒电位极化均在0.05M H2SO4+2ppm F-的溶液中进行。为了模拟固体聚合物电解质膜燃料电池的工作环境,所有电化学实验过程中均在溶液中通入H2或空气。通过处理金属双极板界面接触电阻明显降低,是原来表面接触电阻的1/10。钝化电流密度小于10μA/cm2。
Claims (4)
1.一种含碳表面的燃料电池金属双极板,其特征在于,作为基体的铁基合金奥氏体不锈钢板的厚度为0.1~3mm,表面含Cr合金碳化物改性层厚度为1~50μm;基体中,按重量百分比,Fe为40-75%,Cr为15-25%,Ni为5-28%,Mo为0-4%,Mn为0~15%,Ti为0~1%,Cu为0~3%,Nb为0-2%。
2.制造权利要求1所述的一种含碳表面的燃料电池金属双极板的方法,其特征在于,将作为基体的铁基合金奥氏体不锈钢板表面暴露在工作气体等离子气氛下,处理温度250~550℃,处理时间0.5~6小时;其中,等离子气氛的条件是,电压400-850V,电流密度0.1~2mA/cm2,工作气压0.01~3kPa,工作气体是碳氢化合物气体与氢气或者氩气的混合气体,按体积比,碳氢化合物气体为混合气体的40-90%。
3.根据权利要求2所述的一种含碳表面的燃料电池金属双极板的制造方法,其特征在于,碳氢化合物是烷类碳氢化合物、醇类碳氢化合物或烃类碳氢化合物。
4.根据权利要求2或3所述的一种含碳表面的燃料电池金属双极板的制造方法,其特征在于,碳氢化合物是甲烷、乙炔、丙酮、甲醇或乙醇。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CNB2006100467334A CN100483813C (zh) | 2006-05-26 | 2006-05-26 | 一种含碳表面的燃料电池金属双极板及其制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CNB2006100467334A CN100483813C (zh) | 2006-05-26 | 2006-05-26 | 一种含碳表面的燃料电池金属双极板及其制造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN1874033A CN1874033A (zh) | 2006-12-06 |
CN100483813C true CN100483813C (zh) | 2009-04-29 |
Family
ID=37484383
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CNB2006100467334A Expired - Fee Related CN100483813C (zh) | 2006-05-26 | 2006-05-26 | 一种含碳表面的燃料电池金属双极板及其制造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN100483813C (zh) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102637880B (zh) * | 2012-04-20 | 2014-09-03 | 大连交通大学 | 铬碳化物改性铁基金属双极板及其制备方法 |
CN104269569B (zh) * | 2014-10-09 | 2017-09-19 | 大连海事大学 | 一种固体氧化物燃料电池的表面改性金属连接体及其制造方法 |
CN112993276A (zh) * | 2019-12-14 | 2021-06-18 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种Nb-Cr-C涂层改性的燃料电池用金属双极板及其制备方法 |
-
2006
- 2006-05-26 CN CNB2006100467334A patent/CN100483813C/zh not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
不锈钢等离子表面渗碳. 高原等.电子显微学报,第20卷第4期. 2001 |
不锈钢等离子表面渗碳. 高原等.电子显微学报,第20卷第4期. 2001 * |
质子交换膜燃料电池双极板的研究(大连铁道学院研究生学位论文). 燕希强,摘要,41-42. 2001 |
质子交换膜燃料电池双极板的研究(大连铁道学院研究生学位论文). 燕希强,摘要,41-42. 2001 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN1874033A (zh) | 2006-12-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wu et al. | A review of modified metal bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells | |
CN110284102B (zh) | 一种金属碳化物晶体复合涂层及其制备方法 | |
CN100595951C (zh) | 一种燃料电池用双极板及其表面碳铬薄膜制备方法 | |
JP5047408B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池用ステンレス鋼製またはチタン製セパレータ | |
Li et al. | Investigation of single-layer and multilayer coatings for aluminum bipolar plate in polymer electrolyte membrane fuel cell | |
CN101369667B (zh) | 聚合物电解质膜燃料电池金属双极板及其制备方法 | |
CN104577144A (zh) | 一种氮化增强表面的燃料电池用双极板及其制备方法 | |
WO2023197469A1 (zh) | 高导电耐蚀非晶/纳米晶复合共存的涂层及其制法与应用 | |
CN100483813C (zh) | 一种含碳表面的燃料电池金属双极板及其制造方法 | |
CN114335579A (zh) | 一种耐长期腐蚀的氢燃料电池金属双极板 | |
CN1851967A (zh) | 一种固体聚合物电解质膜燃料电池金属双极板及其制造方法 | |
CN110061257A (zh) | 用于pemfc的金属基双极板及其制备方法 | |
CN100382367C (zh) | 一种含氮碳表面的燃料电池金属双极板及其制造方法 | |
CN102623715A (zh) | Nb碳化物表面改性燃料电池不锈钢双极板及其制造方法 | |
CN102629690B (zh) | 燃料电池用铬氮化物改性金属双极板及其制备方法 | |
CN102637880B (zh) | 铬碳化物改性铁基金属双极板及其制备方法 | |
Liu et al. | Towards cost-effective and durable bipolar plates for proton exchange membrane electrolyzers: A review | |
CN108914060A (zh) | 一种燃料电池双极板表面防护涂层的制备方法 | |
CN101694879B (zh) | 含Mo氮化物表面改性燃料电池不锈钢双极板及制造方法 | |
CN112820890A (zh) | 一种防腐导电涂层制备方法、结构以及燃料电池极板 | |
CN104611679B (zh) | 一种质子交换膜燃料电池钛合金双极板纳米晶ZrC/Zr复合涂层及其制备方法 | |
CN102306804B (zh) | 用于质子交换膜燃料电池双极板的高sp2杂化致密碳镀层及其制备方法 | |
CN101369668B (zh) | 一种聚合物电解质膜燃料电池金属双极板及其制备方法 | |
CN109280893B (zh) | 一种熔盐电沉积金属基复合连接体的制备方法及其应用 | |
CN114457293A (zh) | 一种导电疏水涂层及其制备方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090429 Termination date: 20110526 |