CN1186837C - 质子交换膜燃料电池金属双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池金属双极板。它由基体及其表面导电耐蚀涂层构成，涂层为导电耐蚀的金属氧化物，涂层厚度为0.1-50μm。本发明提供的金属双极板材料及其加工成本低、加工工艺简单，有利于批量生产，金属氧化物涂层导电耐蚀性能好，能制成较薄的金属双极板，提高燃料电池的重量比能量和体积比能量。

Description

质子交换膜燃料电池金属双极板
技术领域：
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池元件，特别是其金属双极板。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种清洁能源正日益受到各国的关注，并投巨资加以研究开发。它可用作电动车等动力源、便携式、移动式电源等。目前由于PEMFC的成本较高，它仅在某些场所应用或试用。为了满足商业化应用要求，必须大幅度降低PEMFC成本。
双极板在PEMFC中具有分布并分隔反应气体、收集并传输电流等作用，其制作材料及加工费用是PEMFC成本高的主要原因之一。现在，双极板主要采用石墨、金属材料和碳复合材料进行制作。石墨双极板的脆性大，且厚度较大，据估计，石墨双极板的成本约占由其制备的PEMFC成本的80％。碳复合材料可以改善石墨双极板的性能，并在一定程度上降低双极板的成本，但其加工工艺十分复杂，且其长期稳定性尚待探索。用金属作双极板既易于批量生产，又可制成薄板(0.1～0.3mm)而直接冲压成形，可以大幅度提高PEMFC的比能量和比功率、降低电池成本。常用的金属双极板材料主要有不锈钢、钛、铝合金等。
PEMFC的工作环境呈弱酸性，且含有Cl-、F-、SO4 2-等离子，对金属(如不锈钢)双极板具有较强的腐蚀作用，因此，金属双极板存在腐蚀和表面接触电阻较大这二个急待解决的难题。对金属双极板材料表面进行防护处理，以提高其耐蚀性能和表面电接触性能，是各国重点开发的技术之一，对金属双极板的制备和PEMFC的发展具有特别重要的意义。目前，金属双极板的表面处理技术是高度保密的，文献仅报道了金、银、铂、TiN、Cr2N等涂层，贵金属涂层的成本高，不利于制作低廉的PEMFC，TiN等涂层具有一定的涂层缺陷，防腐蚀作用有限，制备无缺陷的涂层较为困难。运用低成本、低接触电阻和高耐蚀的表面涂层是制备满足长期使用要求的金属双极板的关键工艺和发展方向。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板，具有成本低、导电耐蚀性能良好，以满足质子交换膜燃料电池发展需求。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种质子交换膜燃料电池金属双极板，由基体及其表面导电耐蚀涂层构成，涂层为导电耐蚀的金属氧化物涂层，涂层厚度为0.1-50μm，其特征在于金属氧化物涂层为锡氧化物或铟氧化物涂层。
上述的基体为不锈钢薄板，或者为铝或铝合金薄板上沉积不锈钢涂层，基体厚度为0.1-0.3mm。
一种质子交换膜燃料电池金属双极板，由基体及其表面导电耐蚀涂层构成，其特征在于涂层为三层结构，内层和外层为金属氧化物涂层，中层为纯金属涂层，金属氧化物为锡氧化物或铟氧化物涂层，纯金属涂层为铬涂层或钼涂层。
上述的基体为不锈钢薄板，或者为铝或铝合金薄板上沉积不锈钢涂层，基体厚度为0.1-0.3mm。
涂层制备方法可以用气相沉积、喷涂热解等方法。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：
本发明采用低廉的导电耐蚀金属氧化物替代现有技术中的贵金属涂层，其成本有成千倍的降低，而且加工容易，工艺简单，加工成本低，有利于成批量生产；可制成较薄的金属双极板，提高PEMFC的重量比能量和体积比能量，从而可以制作成本低廉的质子交换膜燃料电池，使其得以发展和推广应用。同时本发明还提供了三层结构的涂层，不但其结构新颖，而且能进一步提高其导电耐蚀性能。
附图说明：
图1是本发明一种实施例的金属双极板局部剖面图。
图2是图1中A处局部放大图。
图3是本发明另一种实施例的金属双极板局部剖面放大图。
具体实施方式：
参见图1和下列表1，图1和图2表示出实施例1、实施例2、实施例3、实施例5和实施例6的结构，图3表示出实施例4的结构。七个实施例的基体材料、涂层材料和厚度以及其耐蚀性在表中列出。从表中看出，七个实施例的涂层均具有良好的耐蚀性能。
                         表1  不同涂层结构及厚度金属双极板
  实施例   基体(1)     涂层(2) 涂层(3) 涂层(4) 涂层(5) 耐蚀性
  1   316不锈钢     0.1μm锡氧化物 较好
  2   316不锈钢     5μm锡氧化物 良好
  3   316不锈钢     50μm锡氧化物 良好
  4   316不锈钢 1μm锡氧化物 0.1μm铬 3μm锡氧化物 良好
  5   316不锈钢     5μm铟氧化物 良好
6   铝表面沉积316不锈钢 5μm锡氧化物 良好
7   铝合金表面沉积316不锈钢 5μm铟氧化物 0.5μm钼 5μm铟氧化物 良好

Claims (4)

1.一种质子交换膜燃料电池金属双极板，由基体(1)及其表面导电耐蚀涂层(2)构成，涂层(2)为导电耐蚀的金属氧化物涂层，涂层(2)厚度为0.1-50μm，其特征在于金属氧化物涂层(2)为锡氧化物或铟氧化物涂层。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于基体(1)为不锈钢薄板，或者为铝或铝合金薄板上沉积不锈钢涂层，基体(1)厚度为0.1-0.3mm。
3.一种质子交换膜燃料电池金属双极板，由基体(1)及其表面导电耐蚀涂层(2)构成，其特征在于涂层(2)为三层结构，内层(3)和外层(5)为金属氧化物涂层，中层(4)为纯金属涂层，金属氧化物(2)为锡氧化物或铟氧化物涂层，纯金属涂层(4)为铬涂层或钼涂层。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于基体(1)为不锈钢薄板，或者为铝或铝合金薄板上沉积不锈钢涂层，基体(1)厚度为0.1-0.3mm。
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