CN101626082B - 一种质子交换膜燃料电池用金属双极板的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池用金属双极板的处理方法，包括进行金属薄板表面改性处理之前的化学腐蚀除钝化膜处理和除钝化膜后的氩离子轰击清洗金属板表面，以及在清洗过的金属薄板表面沉积导电陶瓷层、在沉积的导电陶瓷层上沉积银层和在银层表面涂敷一层镀银保护膜。本发明的优点是：双极板兼有优良的导电性能和耐腐蚀能力，可以显著降低质子交换膜燃料电池的内阻，提高电池性能，延长双极板的使用寿命。双极板的成本很低，有助于降低整个燃料电池系统的成本，提高整体竞争力。金属双极板基体上有多层保护，保护层可以互相所弥补，使双极板具有极强的耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及燃料电池双极板制造技术。
背景技术
现有技术中，金属双极板的表面都经过表面改性处理或由两种组份组合构成，来满足双极板对导电性和耐蚀性的要求。专利号为CN200610125191.X的专利技术涉及一种质子交换膜燃料电池双极板及其制备方法，双极板由导电陶瓷和石墨两组分混合后经热压烧结而成，其不足是该双极板的力学性能和导电能力难以和金属双极板相比。专利号为CN200810086375.9，CN200810086374.4和CN200810086373.X的专利技术涉及三种金属双极板表面导电陶瓷改性薄膜的制备方法，其不足是通常导电陶瓷的导电性难以达到很高的水平，而且在燃料电池环境下的耐腐蚀性能也有待考察。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属双极板表面处理方法。使金属双极板具有多重保护层。本发明的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池用金属双极板的处理方法，包括：对基体金属薄板表面清洗和金属薄板表面改性处理，其特征在于所述对基体金属薄板表面清洗包括进行金属薄板表面改性处理之前的化学腐蚀除钝化膜处理和除钝化膜后的氩离子轰击清洗金属板表面，所述金属薄板表面改性处理包括：在所述清洗过的金属薄板表面沉积导电陶瓷层、在沉积的导电陶瓷层上沉积银层和在银层表面涂敷一层镀银保护膜。
本发明所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板的处理方法，其特征在于所述在清洗过的金属薄板表面沉积导电陶瓷层和在沉积的导电陶瓷层上沉积银层是用多靶磁控溅射或脉冲偏压多弧离子镀方法沉积，但不局限于上述方法，所述多靶磁控溅射或脉冲偏压多弧离子镀具有2～10个靶源，每个靶源分别控制，靶源在沉积真空室对称布置，沉积过程中，被沉积双极板悬挂在真空室内，真空室抽真空至2×10-3Pa～5×10-4Pa，双极板在真空室内自转的同时绕真空室公转，先接通沉积导电陶瓷的靶源进行导电陶瓷层沉积，导电陶瓷层沉积完成后，关闭沉积导电陶瓷的靶源，接通沉积银的靶源进行银层沉积；金属板在完成沉积银层后，待设备冷却到室温后立即取出进行镀银保护膜的涂敷。本发明所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板的处理方法，其特征在于所述在清洗过的金属薄板表面沉积的导电陶瓷层厚度在0.2～5微米之间；所述在沉积的导电陶瓷层上沉积银层的厚度在0.2～2微米之间。
本发明所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板的处理方法，其特征在于所述导电金属陶瓷层材料包括钛、钒、锆或铬金属的氮化物、碳化物或氮碳化物。
本发明具有如下优点：
1.通过本发明方法制备的双极板兼有优良的导电性能和耐腐蚀能力，可以显著降低质子交换膜燃料电池的内阻，提高电池性能，延长双极板的使用寿命。
2.导电陶瓷层材料成本低廉，而贵金属银的厚度很薄，因此整个双极板的成本很低，有助于降低整个燃料电池系统的成本，提高整体竞争力。
3.金属双极板基体上有多层保护，即使有个别薄膜中存在缺陷，也可以被其他保护层所弥补，因而双极板具有极强的耐腐蚀性能。
附图说明
本发明共有附图1幅，是本发明的双极板的结构示意图，附图中，1、镀银保护层，2、镀银层，3、导电金属陶瓷层，4、金属基板。
具体实施方式
实施例1
在904L不锈钢上通过磁控溅射方法制备TiN层和银层。设备内有4个对称靶位，2个Ti靶和2个Ag靶分别相对。成膜过程中，被镀样品自转的同时绕真空室公转。Ti靶和Ag靶纯度均为99.99％，厚度均为4.0mm，直径均为60mm。将双极板基体夹在挂具上。真空室密封后，用机械泵抽真空至2Pa，然后用分子泵抽真空至3×10-3Pa。通入Ar气和N2气的混合气体，其压力分别为0.5Pa和0.02Pa。在30℃，40W功率，0.25KV电压，0.20A电流下Ti靶进行反应磁控溅射，时间为30min。关闭Ti靶源并关闭N2气供应。在30℃，40W功率，0.25KV电压，0.10A电流下Ag靶进行磁控溅射，时间为5min。
将双极板取出后浸渍于水溶性银保护剂(SURSEAL 394)中，保护剂浓度为50mL/L，溶液温度42℃，浸渍时间2min。取出后用40℃去离子水清洗1min，干燥，即可得到高性能双极板材料。
实施例2
在316L不锈钢上通过磁控溅射方法制备ZrN层和银层。设备内有4个对称靶位，2个Zr靶和2个Ag靶分别相对。成膜过程中，被镀样品自转的同时绕真空室公转。Zr靶和Ag靶纯度均为99.99％，厚度均为4.0mm，直径均为60mm。将双极板基体夹在挂具上。真空室密封后，用机械泵抽真空至2Pa，然后用分子泵抽真空至3×10-3Pa。通入Ar气和N2气的混合气体，其压力分别为0.5Pa和0.02Pa。在30℃，40W功率，0.25KV电压，0.20A电流下Ti靶进行反应磁控溅射，时间为30min。关闭Zr靶源并关闭N2气供应。在30℃，40W功率，0.25KV电压，0.10A电流下Ag靶进行磁控溅射，时间为5min。
将镀银后的双极板浸渍于DJB-823固体薄膜保护剂中，保护剂温度为60℃，浸渍时间30s。然后取出，放入烘箱中，于120℃烘30min，即可得到高性能双极板材料。
实施例3
在304不锈钢上通过多弧离子镀方法制备Cr2N层和银层。设备内有4个对称靶位，2个Cr靶和2个Ag靶分别相对。成膜过程中，被镀样品自转的同时绕真空室公转。Cr靶和Ag靶纯度均为99.99％，厚度均为4.0mm，直径均为60mm。将双极板基体夹在挂具上。真空室密封后，用机械泵抽真空至3Pa，然后用分子泵抽真空至5×10-4Pa。通入Ar气和N2气的混合气体，其压力分别为0.5Pa和0.02Pa。在130℃，40W功率，0.25KV电压，0.20A电流下Cr靶进行反应磁控溅射，时间为40min。关闭Cr靶源并关闭N2气供应。在130℃，40W功率，0.25KV电压，0.10A电流下Ag靶进行磁控溅射，时间为20min。
于室温下将干燥的双极板浸入EX-2银保护剂中5min，取出后自然干燥，即可得到高性能双极板材料。
Claims (4)
1.一种质子交换膜燃料电池用金属双极板的处理方法，包括：对基体金属薄板表面清洗和金属薄板表面改性处理，其特征在于所述对基体金属薄板表面清洗包括进行金属薄板表面改性处理之前的化学腐蚀除钝化膜处理和除钝化膜后的氩离子轰击清洗金属板表面，所述金属薄板表面改性处理包括：在所述清洗过的金属薄板表面用多靶磁控溅射或脉冲偏压多弧离子镀方法沉积导电陶瓷层、在沉积的导电陶瓷层上用多靶磁控溅射或脉冲偏压多弧离子镀方法沉积银层和在银层表面涂敷一层镀银保护膜。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板的处理方法，其特征在于所述在清洗过的金属薄板表面沉积导电陶瓷层和在沉积的导电陶瓷层上沉积银层是用多靶磁控溅射或脉冲偏压多弧离子镀方法沉积，所述多靶磁控溅射或脉冲偏压多弧离子镀具有2～10个靶源，每个靶源分别控制，靶源在沉积真空室对称布置，沉积过程中，被沉积双极板悬挂在真空室内，真空室抽真空至2×10-3Pa～5×10-4Pa，双极板在真空室内自转的同时绕真空室公转，先接通沉积导电陶瓷的靶源进行导电陶瓷层沉积，导电陶瓷层沉积完成后，关闭沉积导电陶瓷的靶源，接通沉积银的靶源进行银层沉积；金属板在完成沉积银层后，待设备冷却到室温后立即取出进行镀银保护膜的涂敷。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板的处理方法，其特征在于所述在清洗过的金属薄板表面沉积的导电陶瓷层厚度在0.2～5微米之间；所述在沉积的导电陶瓷层上沉积银层的厚度在0.2～2微米之间。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板的处理方法，其特征在于所述导电金属陶瓷层材料是钛、钒、锆或铬金属的氮化物、碳化物或氮碳化物。
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