CN108539214B - 等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面改性的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板，包括金属基体和改性层，所述改性层和金属基体间为冶金结合；所述改性层的制备方法具有工艺成熟、所需设备简单、可连续生产、成本低廉等优点；所述改性层不受基体几何形状限制、不损害强度，生长均匀、结构致密，改性层具有良好的耐腐蚀性、表面导电性和疏水性，能大幅度提高聚合物电解质膜燃料电池的输出功率和耐久性。

Description

等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域。特别涉及聚合物电解质膜燃料电池金属双极板及其表面改性。
背景技术
日益严重的能源危机和环境污染使高效安全的燃料电池受到越来越多的重视。聚合物电解质膜燃料电池具有高效、启动快、无污染、比功率密度高等优点，广泛应用于分布式发电站和车载移动能源等。聚合物电解质膜燃料电池主要由膜电极、双极板、气体扩散层等主要部件组成。其中，占总重量80％的双极板是PEMFC的重要多功能组件之一。双极板具有供气体反应场所、收集电流、支撑膜电极、水管理等作用，这就要求双极板材料应当必须具有良好的表面导电性和耐腐蚀性能、足够的机械强度以及韧性。
石墨和石墨基复合材料因较低的接触电阻和良好的化学稳定性而作为传统的双极板材料，但由于石墨机械强度较差、难于生产和高成本阻碍了其规模化商业应用。金属材料适合冲压成形和降低电池组重量，但在高温、高湿的酸性工作环境中发生腐蚀，同时表面形成的保护性钝化膜会提高双极板与气体扩散层间的接触电阻，从而降低燃料电池的输出功率。因此，常用金属材料很难满足双极板在耐蚀性和导电性方面的需求，物理气相沉积、化学气相沉积、化学镀或电镀等是目前用以解决上述问题的常用表面改性方法。但受到这些方法自身的局限性影响，制备过程中存在孔隙和裂纹等结构缺陷及结合力不足，促使酸性电解质溶液借此直接接触基体材料并导致涂层失效，溶解的金属离子会污染催化剂和降低质子交换膜传导能力，从而严重影响燃料电池的使用寿命。
考虑到现有表面改性方法总是存在或多或少的局限性，还没有任何一种通过表面改性处理的金属双极板能够满足目前聚合物电解质膜燃料电池规模化市场应用的要求。因此，发展成本低廉、高表面导电性和耐蚀性的双极板仍旧是聚合物电解质膜燃料电池的主要研究方向，也必然对其商业化进程产生重要的影响。
发明内容
为了解决现有技术所存在的难题，本发明旨在提供一种低成本的兼具高导电和耐蚀性能的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板及其制备方法。采用等离子热化学处理技术在金属双极板表面制备与基体材料冶金结合的改性层。该方法可以实现改性层大面积均匀生长，改性层表面光滑致密，无明显结构缺陷，具有不受几何形状限制、生产效率高、易于生产加工等特点，特别适合实现金属双极板规模化表面改性的需求。因此，采用等离子热化学处理的金属双极板能够显著提高聚合物电解质膜燃料电池的输出功率和使用寿命。
本发明所提供的聚合物电解质膜燃料电池金属双极由金属基体和改性层组成，所述改性层与金属基体间为冶金结合。本发明中等离子热化学处理的金属双极板腐蚀速度低于 1μA/cm2，接触电阻率低于4mΩ·cm2，接触角大于92°。
为了实现上述目的，本发明提供的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板采用以下技术方案进行制备：
1)金属基体经粗磨、精磨和抛光后，用丙酮超声波清洗30min，干燥待用；
2)当真空度低于5Pa时，通入氩气对放入样品室内的经步骤1)处理的金属基体进行离子轰击以清洁其表面，时间为30min；
3)步骤2)处理的金属基体等离子热化学处理，具体工艺参数如下：Ta电极电压为900～ 950V，金属基体加热温度为850～900℃，处理时间为1.5～2.5h，金属基体电压为300～400V，工作压力为30～35Pa，金属基体与Ta电极间距离为15～20mm；
4)停止供气、关掉电源和真空泵，工件随缓慢冷却至室温，得到等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板；
本发明所述等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板，所述金属基体材料为工业纯钛或钛合金。
本发明所述等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板，所述改性层厚度为5～10μm。
本发明提供的金属双极板优点在于：本发明采用等离子热化学处理对金属双极板进行表面改性，该方法具有工艺成熟、效率高、可批量化生产等特点。改性层能大幅度提高金属双极板的耐蚀性、导电性和疏水性，能够满足燃料电池的使用性能要求和方便水热管理，有潜力代替传统石墨双极板，可以应用于聚合物电解质膜燃料电池领域，对于加快聚合物电解质膜燃料电池大规模市场化应用具有重要的实际意义。
附图说明
图1为本申请提供的等离子热化学处理后双极板改性层表面形貌
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板，按照以下步骤在工业纯钛TA2基体上制备改性层：
1)金属基体经粗磨、精磨和抛光后，用丙酮超声波清洗30min，干燥待用；
2)当真空度低于5Pa时，通入氩气对放入样品室内的经步骤1)处理的金属基体进行离子轰击以清洁其表面，时间为30min；
3)步骤3)处理的等离子热化学处理，具体工艺参数如下：Ta电极电压为900V，金属基体加热温度为850℃，处理时间为1.5h，金属基体电压为350V，工作压力为35Pa，金属基体与Ta电极间距离为15mm；
4)停止供气、关掉电源和真空泵，工件缓慢冷却至室温，得到等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板。
本实施例等离子热化学处理技术制备的双极板，改性层厚度为5μm。本发明中等离子热化学处理的金属双极板腐蚀速度低于0.91μA/cm2,接触电阻率低于4mΩ·cm2,接触角为92.1°。
实施例2
本实施例提供的等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板，按照以下步骤在钛合金TC4(Ti6Al4V)基体上制备改性层：
1)金属基体经粗磨、精磨和抛光后，用丙酮超声波清洗30min，干燥待用。
2)当真空度低于5Pa时，通入氩气对放入样品室内的经步骤1)处理的金属基体进行离子轰击以清洁其表面，时间为30min。
3)步骤3)处理的等离子热化学处理，具体工艺参数如下：Ta电极电压为950V，金属基体加热温度为880℃，处理时间为2h，金属基体电压为300V，工作压力为30Pa，金属基体与Ta电极间距离为20mm。
4)停止供气、关掉电源和真空泵，工件缓慢冷却至室温，得到等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板。
本实施例等离子热化学处理技术制备的双极板，改性层厚度为7μm。本发明中等离子热化学处理双极板腐蚀速度低于0.65μA/cm2，接触电阻率低于3mΩ·cm2，接触角为93°。
实施例3
本实施例提供的等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板，按照以下步骤在工业纯钛TA2基体上制备改性层：
1)金属基体经粗磨、精磨和抛光后，用丙酮超声波清洗30min，干燥待用；
2)当真空度低于5Pa时，通入氩气对放入样品室内的经步骤1)处理的金属基体进行离子轰击以清洁其表面，时间为30min；
3)步骤3)处理的等离子热化学处理，具体工艺参数如下：Ta电极电压为950V，金属基体加热温度为900℃，处理时间为2.5h，金属基体电压为400V，工作压力为30Pa，金属基体与Ta电极间距离为17mm；
4)停止供气、关掉电源和真空泵，工件随缓慢冷却至室温，得到等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板。
本实施例等离子热化学处理技术制备的双极板，改性层厚度为10μm。本发明中等离子热化学处理的金属双极板腐蚀速度低于0.5μA/cm2,接触电阻率低于3mΩ·cm2，接触角为92.3°。

Claims (2)

1.等离子热化学处理制备聚合物电解质膜燃料电池金属双极板的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)金属基体经粗磨、精磨、抛光后，用丙酮超声波清洗30min，干燥待用；
2)当真空度低于5Pa时，通入氩气对放入样品室内的经步骤1)处理的金属基体进行离子轰击以清洁其表面，时间为30min；
3)步骤2)处理后的金属基体等离子热化学处理，具体工艺参数如下：Ta电极电压为900～950V，金属基体加热温度为850～900℃，处理时间为1.5～2.5h，金属基体电压为300～400V，工作压力为30～35Pa，金属基体与Ta电极间距离为15～20mm；
4)停止供气、关掉电源和真空泵，工件缓慢冷却至室温，即得等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板；所述聚合物电解质膜燃料电池金属双极板由金属基体和改性层组成；
所述等离子热化学处理的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板腐蚀速度低于1μA/cm2，接触电阻低于4mΩ·cm2，接触角大于92°；
所述改性层与金属基体间为冶金结合，改性层厚度为5～10μm。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述金属基体的材料为工业纯钛或钛合金。
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