CN110707341B - 一种用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于燃料电池的双极板亲水‑疏水表面的制备方法，其首先判断双极板中是否含有R金属元素，根据情况在双极板表面是否镀金属膜，再在双极板的流道激光氮化、谷部流道雕刻，然后在双极板的脊部流道或侧面流道激光氧化、UV处理，由此在双极板的表面形成亲水‑疏水表面，从而达到亲疏水性的控制。本申请还提供了用于燃料电池的双极板亲水‑疏水表面。本申请运用激光对双极板表面进行改性即可达成超亲水性与超疏水性的切换，表面材料符合耐腐蚀、导电等功能要求，制程简单、经济。

Description

一种用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池质子交换膜技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面及其制备方法。
背景技术
质子膜燃料电池持久高效能的关键在于水平衡。为了使质子膜有较高的氢离子传导率，质子膜必须含有一定的湿度，但在燃料电池工作时若湿度过高可能导致液态水阻隔反应物的传输，造成效能降低。此种因液态水累积而造成效能降低的现象叫作水淹。水淹可能发生于催化剂层、扩散介质层或双极板的流道。水淹的发生受燃料电池各层材料参数、结构的设计与工作条件等方面的影响。在流道反应气体流速慢的情况下，水淹易发生于流道中；而在反应气体流速快的情况下，水淹则容易发生于阴极催化剂层与扩散介质层。阴极是接收氧气与电子并生成水的反应端。
为了防止水淹的发生，在流道设计方面主要有几个方面可以加强燃料电池的排水效能，如气体扩散层与流道间的界面参数、流道表面能、沟道-脊部比例、流道压降与流体对流性等；而在气体扩散层设计方面可加强排水效能的方法包括：材料种类、几何结构、疏水性添加物量、孔隙度与热传输特性等；目前，气体扩散层的主体通常为碳纤维，并且添加铁氟龙(PTFE)，碳本身是亲水性材料，而PTFE为疏水性材料，一般扩散介质具20～40％亲水与60～80％疏水特性。
根据毛细理论可推测液态水游移于气体扩散层中的大孔隙中，气体则游移于小的疏水性孔隙中。气体扩散层的温度有高低温分布，靠近催化剂反应区域为较高温区域，而靠近流道区域则相较低温，水气会在低温处凝结成液态水，特别是在流道脊部与气体扩散层相接触之接口区域。当此区域的水逐渐累积而未顺利排至流道沟时，在流道脊部附近达到饱和的水会逐渐横向扩散，使两脊部间的气体扩散层的液态水相联，阻隔了流道沟的反应气进入气体扩散层的孔隙，使燃料电池效能降低。
公开号为CN102157739A的中国专利公开了用于燃料电池双极板的可逆的亲水-疏水涂层的制造方法，此发明欲解决燃料电池的排水残留问题；该专利使用金属氧化物作为亲水层，n-十八烷基硅作为超疏水涂层，在制备的过程中先于双极板上沉积亲水层，再沉积疏水层于亲水层上，而后运用UV辐照将部分疏水层材料去除，再次产生亲水层；上述UV辐照的强度、密度可调整，可制作出亲水性梯度表面。
上述方案为了保证完全去除疏水层，则UV辐照时间长，若光化学反应不全会使疏水层残留；同时，疏水层的材料是非导电的长链烷基材料，若将其用于双极板需导电的脊部将会提高双极板与气体扩散层的接触电阻；其次，疏水层与亲水层为两种全然不同的材料，自然会增加制造成本与步骤。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面的制备方法，该表面可使双极板排水效果较好。
有鉴于此，本申请提供了一种用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面的制备方法，包括以下步骤：
A)判断双极板是否为含有R金属元素的金属板，若含有R金属元素，则进入步骤A1)，若不含有R金属元素，则进入步骤A2)或A3)；
A1)以纯氮作为保护性气氛，采用激光处理双极板的流道，在双极板流道表面生成R的氮化物薄膜，再在所述R的氮化物薄膜的谷部雕刻，所述雕刻的刻痕具有梯度或不具有梯度；
B1)采用激光处理步骤A1)得到的双极板的脊部与侧面，使双极板脊部与侧面的表面生成氮氧化物RNxOy薄膜，所述氮氧化物RNxOy薄膜具有梯度或不具有梯度；
C1)将步骤B1)得到的双极板进行UV辐照，使双极板的氮氧化物RNxOy薄膜表面产生羟基；
A2)在双极板表面沉积R的氮化物薄膜，再将所述R的氮化物薄膜谷部进行雕刻，再在脊部和侧面进行激光处理，使R的氮化物薄膜的脊部和侧面氧化，得到氮氧化物RNxOy薄膜，最后将所述氮氧化物RNxOy薄膜进行UV辐照，使所述氮氧化物RNxOy薄膜表面产生羟基；，所述雕刻的刻痕具有梯度或不具有梯度；
A3)在双极板表面沉积R金属薄膜，再依次进入步骤A1)、B1)和C1)；
其中，所述R金属元素为可与氮形成耐蚀氮化物且在氮化过程中较其他元素易先形成氮化物的金属元素；
x＝0～2，y＝0～3。
优选的，所述雕刻为顺谷部流道方向平行雕刻的微米刻痕，所述刻痕的密度大于0且小于等于50mm-1，所述刻痕的宽度为1～130μm。
优选的，所述R金属元素选自Ti、Zr、Cr、Al、Nb、Hf和V中的一种或多种。
优选的，步骤A)中，所述双极板为含有钛元素的金属板，所述金属板为Ti-6Al-4V金属板。
本申请还提供了一种用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面，由复合于双极板谷部流道的R的氮化物薄膜、复合于双极板脊部流道的RNxOy薄膜和复合于双极板侧面流道的RNxOy薄膜组成，所述RNxOy薄膜的氧位置含有羟基；所述R的氮化物薄膜的表面具有刻痕，所述刻痕具体有梯度或不具有梯度；所述RNxOy薄膜具有梯度或不具有梯度；
所述双极板中包括R金属元素，所述R金属元素为可与氮形成耐蚀氮化物且在氮化过程中较其他元素易先形成氮化物的金属元素；x＝0～2，y＝0～3。
本申请还提供了一种用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面，由复合于双极板谷部流道的R的氮化物薄膜、复合于双极板脊部流道的RNxOy薄膜和复合于双极板侧面流道的RNxOy薄膜组成，所述RNxOy薄膜的氧位置含有羟基；所述R的氮化物薄膜的表面具有刻痕，所述刻痕具体有梯度或不具有梯度；所述RNxOy薄膜具有梯度或不具有梯度；
所述双极板中不包括R金属元素，所述R金属元素为可与氮形成耐蚀氮化物且在氮化过程中较其他元素易先形成氮化物的金属元素；x＝0～2，y＝0～3。
优选的，所述氮化物薄膜作为疏水表面，其接触角为90°～150°，且不等于90°，所述RNxOy薄膜作为亲水表面，其接触角为5°～90°。
本申请利用激光处理在双极板表面形成亲水的金属氧化物、疏水的金属氮氧化物混合薄膜，从而达到了亲、疏水性的控制；该制备方法可形成具有特殊梯度分布的亲水性与疏水性表面，使氢燃料电池流道的液态水自主聚集并排出流道，亲水性表面分布在与气体扩散层相接触的流道脊部与沟道侧面，可使气体扩散层中的液态水被脊部表面吸引而向流道侧壁聚集，谷部表面为疏水性表面，流道内的液态水累积不至于将流道填满水而阻塞。
另一方面，本申请双极板亲水-疏水表面具有氧、氮、金属空位或混合种类，可使表面具有较好的导电性，且该表面的氮化物具有较好的耐腐蚀性，使得表面也具有耐蚀性。
附图说明
图1为本发明双极板亲水-疏水表面的一种制备流程示意图；
图2为本发明双极板亲水-疏水表面的另一种制备流程示意图；
图3为本发明双极板亲水-疏水表面的制备流程示意图；
图4为本发明实施例3制备的双极板的示意图；
图5为本发明制备的双极板应用于燃料电池单电池的性能曲线图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
为了使形成亲水性与疏水性表面的制程更简单、更省时与降低成本，可以以激光对金属、金属氧化物或金属氮化物表面进行改质的方法，金属的氧化物与氮化物可以由激光直接扫描特定表面，以选定的特定气体或混合气体做为保护(工作)气体分别改变其氮化与氧化的特性，由此生成特定疏水或亲水表面。直接扫描的方法是简单的、直接且快速的，且材料主体不变，没有材料残留问题；亦可藉由激光合适的波长、光点大小、光点图案、脉冲宽度、扫瞄速度等参数控制材料表面的粗糙度使材料表面的接触角的梯度变化更广、更连续可控。由此，本申请提供了一种用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面的制备方法，包括以下步骤：
A)判断双极板是否为含有R金属元素的金属板，若含有R金属元素，则进入步骤A1)，若不含有R金属元素，则进入步骤A2)或A3)；
A1)以纯氮作为保护性气氛，采用激光处理双极板的流道，在双极板流道表面生成R的氮化物薄膜，再在所述R的氮化物薄膜的谷部雕刻，所述雕刻的刻痕具有梯度或不具有梯度；
B1)采用激光处理步骤A1)得到的双极板的脊部与侧面，使双极板脊部与侧面的表面生成氮氧化物RNxOy薄膜，所述氮氧化物RNxOy薄膜具有梯度或不具有梯度；
C1)将步骤B1)得到的双极板进行UV辐照，使双极板的氮氧化物RNxOy薄膜表面产生羟基；
A2)在双极板表面沉积R的氮化物薄膜，再将所述R的氮化物薄膜谷部进行雕刻，再在脊部和侧面进行激光处理，使R的氮化物薄膜的脊部和侧面氧化，得到氮氧化物RNxOy薄膜，最后将所述氮氧化物RNxOy薄膜进行UV辐照，使所述氮氧化物RNxOy薄膜表面产生羟基；，所述雕刻的刻痕具有梯度或不具有梯度；
A3)在双极板表面沉积R金属薄膜，再依次进入步骤A1)、B1)和C1)；
其中，所述R金属元素为可与氮形成耐蚀氮化物且在氮化过程中较其他元素易先形成氮化物的金属元素；
x＝0～2，y＝0～3。
在上述制备燃料电池的双极板亲水-疏水表面的过程中，根据双极板的材质可选择两类不同的制备过程，在双极板中含有R金属元素的情况时，所述双极板不需要进行镀膜；在本申请中，所述R金属元素为可与氮形成耐蚀氮化物且在氮化过程中较其他元素易先形成氮化物的金属元素，具体可选自Ti、Zr、Cr、Al、Nb、Hf和V中的一种或多种，在具体实施例中，所述双极板为含有Ti或Al的双极板，更具体的，所述双极板可选自Ti-6Al-4V金属双极板，在此种情况下直接对双极板的表面进行改性，则以纯氮作为保护性气氛，以使双极板表面避免氧化并且提供氮化的氮元素，利用激光处理双极板的流道，随着激光光点在双极板流道区移动而在其表面生成氮化物薄膜，以使双极板具有耐蚀保护层。上述激光处理为本领域技术人员熟知的激光操作手段，具体方式本申请不进行特别的限制。在具体实施例中，所述的激光为Nd：YAG激光，其波长为1064nm；所述激光的光源的光点形状为矩形光束或高斯光束，脉冲宽度为150ns，脉冲重复率为50kHz，能量密度为0.1～3J/cm2，光点大小与激光移动速度可根据扫描路径和激光功率限制而调整，工作环境为一般空气，大气压下。上述制备的氮化物薄膜形成于流道表面，其包括双极板的谷部、脊部与侧面。
在双极板的流道表面生成氮化物薄膜之后，则同样在氮气的保护氛围下，利用激光雕刻谷部流道的氮化物薄膜，使其表面顺流道方向平行雕刻出微米刻痕，以使谷部流道的氮化物薄膜具有疏水性。所述微米刻痕可以呈梯度分布，也可以不呈梯度分布，所述刻痕的密度大于0且小于等于50mm-1，所述刻痕的宽度为1～130μm。
按照本发明，然后利用激光处理双极板的脊部流道和侧面流道，使双极板的脊部流道和侧面流道具有亲水性；上述过程未使用保护气体，则金属表面倾向于空气中的氧气反应生成氮氧化物RNxOy薄膜，通过调节激光的参数，可以使脊部流道和侧面流道的氮氧化物RNxOy薄膜具有梯度或不具有梯度。
最后将上述得到的双极板进行UV辐照，以使带氧原子的氧化物在氧的位置诱发出羟基，以使氮氧化物RNxOy薄膜具有亲水性，亲水性梯度则由羟基的密度决定，由此制备得到氮化-氧化化学计量的梯度表面。所述UV辐照的UV光源的波长包括波长185nm和254nm，照射于物件上之总强度25～35mW/cm2，波长254nm的强度占比80％～90％，在空气环境、一般常温(约25℃)照射10分钟。
上述制备双极板亲水-疏水表面的流程示意图如图1所示。
在双极板中不含有R元素的情况下，可以先在双极板表面沉积氮化物薄膜；此过程中，沉积氮化物薄膜的方法没有特别的限制，可以采用PVD的方法也可以采用CVD的方法。
按照本发明，在得到氮化物薄膜之后则采用激光对氮化物薄膜的谷部进行雕刻，然后采用激光对氮化物薄膜的脊部和侧面表面进行扫描，以得到氮氧化物RNxOy薄膜。上述激光扫描在气体环境中进行，所述气体环境可以是真空或者任意压力或任意压力气体的组合。
氮氧化物薄膜的化学式可表示为RNxOy(x＝0～2，y＝0～3)，是可以由各种化学计量(stoichiometric)组成的；R以Ti为例，氮化钛本身常见稳定态存在TiN与Ti2N，当二者或与Ti三者混合可使由氮化钛TiNx之x＝0～1，氧化钛、氮氧化钛亦是同道理。在激光氧化步骤时可改变参数将材料表面生成预期的化学组成，化学组成具有二维平面的可调性。在流道谷部雕刻与脊部、侧面相交的位置，y即氧的含量可为0。本申请中，x与y的成分是利用XPS(X-ray photoelectron spctroscopy)量测，并进行定量分析所得到。
最后将上述得到的双极板进行UV辐照，以使带氧原子的氧化物表面产生羟基亲水表面，由此制备得到氮化-氧化化学计量的梯度表面。上述UV辐照的相关参数与上述相同或相近，根据实际情况进行调节。
在双极板中不含有R元素的情况下，也可以先在双极板表面沉积金属R薄膜；此过程中，沉积金属R薄膜的方法没有特别的限制，可以采用PVD的方法也可以采用CVD的方法。
在金属R薄膜制备之后，后续的制备过程与双极板含有R元素的制备过程相同，此处不再进行说明。
本申请在制备用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面的过程中，根据双极板中是否含有R元素提供了几种亲水-疏水表面的制备方法，上述制备方法均是制备了具有亲水-疏水表面，以利于燃料电池产生的液态水容易排出，避免了水淹和低温结冻的问题。本申请制备双极板亲水-疏水表面的流程具体如图3所示。
本申请的上述氮化过程中，根据实际亲疏水性的需要，可以调整激光参数，以制备具有梯度分布的亲水-疏水表面。
进一步的，根据上述制备方法，本申请还提供了一种用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面，由复合于双极板谷部流道的R的氮化物薄膜、复合于双极板脊部流道的RNxOy薄膜和复合于双极板侧面流道的RNxOy薄膜组成，所述RNxOy薄膜的氧位置含有羟基；所述R的氮化物薄膜的表面具有刻痕，所述刻痕具体有梯度或不具有梯度；所述RNxOy薄膜具有梯度或不具有梯度；
所述双极板中包括R金属元素，所述R金属元素为可与氮形成耐蚀氮化物且在氮化过程中较其他元素易先形成氮化物的金属元素；x＝0～2，y＝0～3。
上述表面是具有特殊梯度分布的亲水性与疏水性表面，使氢燃料电池流道的液态水自主聚集并排出流道；亲水性表面分布在与气体扩散层相接触之流道脊部与沟道侧面，可使气体扩散层中的液态水可以被脊部表面吸引而向流道侧壁聚集；近沟道底部部分表面则为疏水性表面，在当流道内的液态水累积不至于将流道填满水而阻塞流道。
本申请还提供了一种用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面，由复合于双极板谷部流道的R的氮化物薄膜、复合于双极板脊部流道的RNxOy薄膜和复合于双极板侧面流道的RNxOy薄膜组成，所述RNxOy薄膜的氧位置含有羟基；所述R的氮化物薄膜的表面具有刻痕，所述刻痕具体有梯度或不具有梯度；所述RNxOy薄膜具有梯度或不具有梯度；
所述双极板中不包括R金属元素，所述R金属元素为可与氮形成耐蚀氮化物且在氮化过程中较其他元素易先形成氮化物的金属元素；x＝0～2，y＝0～3。
本发明可使双极板流道具备合式的亲-疏水性表面分布，使得氢燃料电池产生之液态水更容易排除，避免了水淹与低温结冻问题；运用激光对双极板表面进行改质即可达成超亲水性与超疏水性之切换，表面材料符合耐腐蚀、导电等功能要求，制程简单、经济。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面的制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
如图1的流程示意图，首先准备清洗干净的Ti-6Al-4V钛合金板双极板；利用Nd:YAG激光，波长为1064nm，脉冲宽度(pulsewidth)150ns，脉冲重复率(repetition rate)50kHz，矩形光束长宽20mm*0.1mm，能量密度(fluence)1.2J/cm2，激光移动速度为300mm/s，以纯氮为保护气体，气体喷向激光照射的表面，使金属表面避免氧化并且提供表面氮化的氮元素，随着激光光点在双极板流道移动而在其表面生成氮化钛薄膜，氮化层厚度约为3μm；
利用激光采用高斯型光点大小调至直径40μm，能量密度～30J/cm2，同样以氮气保护金属表面，对谷部表面顺流道方向平行雕刻出微米刻痕，刻痕密度5mm-1，刻痕宽度约为40μm，表面对水的接触角控制在105°～125°；
采用与氮化步骤同样的操作，区别在于：矩形光源的激光源能量密度0.5J/cm2，直接扫描双极板脊部与侧面流道，因无使用保护气体，双极板脊部和侧面流道的金属表面将倾向与空气中的氧气反应生成氮氧化钛(TiNxOy，x＝0.7，y＝0.2)薄膜，可使其表面对水之接触角控制在60°～80°；
最后再运用UV辐照，使带氧原子的氧化物表面产生羟基(-OH基)亲水表面可使接触角降至15°～40°。
实施例2
如图2的流程示意图，在一SUS316不锈钢冲压双极板上先以PVD或CVD等方法镀上一层金属铬层；以Nd:YAG激光对流道表面扫描，波长为1064nm，脉冲宽度150ns，脉冲重复率50kHz，矩形光束长宽20mm*0.1mm，能量密度0.5～2J/cm2，激光移动速度为300mm/s；大气压下以纯氮为保护气体，气体喷向激光照射的表面，使金属表面避免氧化并且提供表面氮化的氮元素；
利用激光采用高斯型光点大小调至40μm，能量密度～30J/cm2，同样以氮气保护金属表面，对谷部表面顺流道方向平行雕刻出微米刻痕，刻痕密度5mm-1，刻痕宽度约为40μm，表面对水的接触角控制在105°～125°；
采用与氮化步骤同样的操作，区别在于：激光源能量密度0.5J/cm2，直接扫描双极板脊部与流道侧面，因无使用保护气体，氮化金属表面将倾向与空气中的氧气反应生成氮氧化铬(CrNxOy，x＝0.65，y＝0.3)薄膜，以能量密度为调控参数，可使其表面对水之接触角控制在60°～80°；
最后再运用UV辐照，使带氧原子的氧化物表面产生羟基(-OH基)亲水表面可使接触角降至10°～40°。
实施例3
在铝合金双极板流道部分PVD镀上一层3μmTiN0.95薄膜；
利用激光采用高斯光束光点大小调至40μm，能量密度～30J/cm2，以氮气保护氮化物表面，对谷部表面顺流道方向平行雕刻出微米刻痕，刻痕宽度约为40μm，刻痕密度随顺方向依序为40、20、10、5、2、0mm-1，在此例中每10mm变换一密度，使每60mm为一周期，使表面对水的接触角控制在最高140°降至95°激光雕刻流道谷部，使谷部具有周期性疏水梯度；
在采用激光处理双极板的侧面和脊部，激光的光源为矩形光束，光点长宽20mm*0.1mm，能量密度0～2J/cm2，以能量密度为调控参数，使双极板流道脊部与侧面具有亲水梯度，可使其表面对水之接触角控制在40°～70°，该表面为TiNxOy薄膜，x＝0.6，y＝0.3)，经过激光处理TiN0.95薄膜过渡到TiN0.6O0.3薄膜；
最后再运用UV辐照，使带氧原子的氧化物表面产生羟基(-OH基)亲水表面可使接触角降至10°～60°。
流道亲-疏水梯度如图4所示，图4为双极板单极局部流道谷部具疏水梯度激光刻痕、脊部和侧部以不同激光能量密度处理与UV辐照后的归一化羟基密度示意图。
图5为实施例制备的极板流道应用于燃料电池单电池的性能曲线图，即燃料电池单电池效能偏极曲线图，由图5可知，图中1为未处理的钛合金板燃料电池单电池，2为实施例1燃料电池单电池，3为实施例3的燃料电池单电池效能；由图可知，在偏极曲线高电流区电压得到了提升，表示排水效果得到改善；当极板具有亲水性梯度的效能得到最佳优化，分别脊部亲水区与谷部疏水区的极板则次之。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面的制备方法，包括以下步骤：
A)判断双极板是否为含有R金属元素的金属板，若含有R金属元素，则进入步骤A1)，若不含有R金属元素，则进入步骤A2)或A3)；
A1)以纯氮作为保护性气氛，采用激光处理双极板的流道，在双极板流道表面生成R的氮化物薄膜，再在所述R的氮化物薄膜的谷部雕刻，所述雕刻的刻痕具有梯度或不具有梯度；
B1)采用激光处理步骤A1)得到的双极板的脊部与侧面，使双极板脊部与侧面的表面生成氮氧化物RNxOy薄膜，所述氮氧化物RNxOy薄膜具有梯度或不具有梯度；
C1)将步骤B1)得到的双极板进行UV辐照，使双极板的氮氧化物RNxOy薄膜表面产生羟基；
A2)在双极板表面沉积R的氮化物薄膜，再将所述R的氮化物薄膜谷部进行雕刻，再在脊部和侧面进行激光处理，使R的氮化物薄膜的脊部和侧面氧化，得到氮氧化物RNxOy薄膜，最后将所述氮氧化物RNxOy薄膜进行UV辐照，使所述氮氧化物RNxOy薄膜表面产生羟基；所述雕刻的刻痕具有梯度或不具有梯度；
A3)在双极板表面沉积R金属薄膜，再依次进入步骤A1)、B1)和C1)；
其中，所述R金属元素为可与氮形成耐蚀氮化物且在氮化过程中较其他元素易先形成氮化物的金属元素；
x＝0～2，y＝0～3且x不等于0，y不等于0。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述雕刻为顺谷部流道方向平行雕刻形成微米刻痕，所述刻痕的密度大于0且小于等于50mm-1，所述刻痕的宽度为1～130μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述R金属元素选自Ti、Zr、Cr、Al、Nb、Hf和V中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，所述双极板为含有钛元素的金属板，所述金属板为Ti-6Al-4V金属板。
5.一种用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面，由复合于双极板谷部流道的R的氮化物薄膜、复合于双极板脊部流道的RNxOy薄膜和复合于双极板侧面流道的RNxOy薄膜组成，所述RNxOy薄膜的氧位置含有羟基；所述R的氮化物薄膜的表面具有刻痕，所述刻痕具体有梯度或不具有梯度；所述RNxOy薄膜具有梯度或不具有梯度；
所述双极板中包括R金属元素，所述R金属元素为可与氮形成耐蚀氮化物且在氮化过程中较其他元素易先形成氮化物的金属元素；x＝0～2，y＝0～3且x不等于0，y不等于0。
6.一种用于燃料电池的双极板亲水-疏水表面，由复合于双极板谷部流道的R的氮化物薄膜、复合于双极板脊部流道的RNxOy薄膜和复合于双极板侧面流道的RNxOy薄膜组成，所述RNxOy薄膜的氧位置含有羟基；所述R的氮化物薄膜的表面具有刻痕，所述刻痕具体有梯度或不具有梯度；所述RNxOy薄膜具有梯度或不具有梯度；
所述双极板中不包括R金属元素，所述R金属元素为可与氮形成耐蚀氮化物且在氮化过程中较其他元素易先形成氮化物的金属元素；x＝0～2，y＝0～3且x不等于0，y不等于0。
7.根据权利要求5或6所述的双极板亲水-疏水表面，其特征在于，所述氮化物薄膜作为疏水表面，其接触角为90°～150°，且不等于90°，所述RNxOy薄膜作为亲水表面，其接触角为5°～90°。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112151824B (zh) * 2020-09-02 2021-10-22 东风汽车集团有限公司 一种燃料电池用带有图案化亲水-疏水涂层的双极板及其制备工艺
CN114068948B (zh) * 2021-11-17 2023-10-13 吉林大学 具有仿生主动集排水功能的燃料电池双极板及集排水方法
CN115373056B (zh) * 2022-07-29 2024-04-05 深圳通感微电子有限公司 微透镜及其制备方法
CN116259806B (zh) * 2023-05-09 2023-09-22 浙江韵量氢能科技有限公司 一种能去除气体杂质的燃料电堆及去除气体杂质的方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7550222B2 (en) * 2005-10-21 2009-06-23 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cell component having a durable conductive and hydrophilic coating
US9136545B2 (en) * 2008-02-27 2015-09-15 GM Global Technology Operations LLC Low cost fuel cell bipolar plate and process of making the same
WO2010041658A1 (ja) * 2008-10-06 2010-04-15 昭和電工株式会社 炭窒化物混合物粒子または炭窒酸化物混合物粒子の製造方法及びその用途
JP6655250B2 (ja) * 2016-08-05 2020-02-26 国立研究開発法人科学技術振興機構 ブロック共重合体、多層構造体、固体高分子膜、燃料電池、多層構造体の製造方法、及び無機ナノ粒子を含む多層構造体の製造方法
DE102017202679A1 (de) * 2017-02-20 2018-08-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Bipolarplatte für elektrochemische Zellen sowie ein Herstellungsverfahren
TWI659562B (zh) * 2017-12-06 2019-05-11 財團法人工業技術研究院 電極板與其形成方法

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