CN1885600A - 一种含氮碳表面的固体电解质膜燃料电池金属双极板及其制造方法 - Google Patents

一种含氮碳表面的固体电解质膜燃料电池金属双极板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种含氮碳表面的固体电解质膜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。改性层相为合金碳氮化合物，碳、氮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

一种含氮碳表面的固体电解质膜燃料电池金属双极板及其制造方法
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氮碳表面的固体电解质膜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合金碳氮化合物。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碳氮化合物，其合金碳氮化合物组成随基体Fe基合金的成分变化而变化。碳、氮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合金碳氮化合物改性层厚度为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280～580℃，处理时间0.5～6小时；其中，形成离子气氛的条件是，电压400-850V，电流密度0.1～2mA/cm2，工作气压0.01～3kPa。
工作气体是氨气和碳氢化合物混合气体，按体积比，混合气体中碳氢化合物气体含量为5～25％。
碳氢化合物是是烷类碳氢化合物、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合金碳氮化合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碳化合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；黑色圆点●代表原始材料双极板，■黑色方块代表本专利制造双极板。
具体实施方式
将商用厚度为1mm的316L奥氏体不锈钢薄板，置于低压真空容器中，容器充入氨气+碳氢化合物气体组成的混合气体，混合气体中碳氢化合物气体含量为15％，压力控制在1.8kPa，混合气体中碳氢化合物气体含量为20％，加700V直流电压形成等离子气氛，在450℃温度温度处理3小时，表面为单相的组织，表面所生成的合金碳氮化物层厚度为20μm。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/m2。

Claims (5)

1.一种含氮碳表面的固体电解质膜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合金碳氮化合物改性层厚度为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所述的一种含氮碳表面的固体电解质膜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280～580℃，处理时间0.5～6小时；其中，形成离子气氛的条件是，电压400-850V，电流密度0.1～2mA/cm2，工作气压0.01～3kPa。
3.根据权利要求2所述的一种含氮碳表面的固体电解质膜燃料电池金属双极板的制造方法，其特征在于，工作气体是氨气和碳氢化合物混合气体，按体积比，混合气体中碳氢化合物气体含量为5～25％。
4.根据权利要求3所述的一种含氮碳表面的固体电解质膜燃料电池金属双极板的制造方法，其特征在于，碳氢化合物是是烷类碳氢化合物、醇类碳氢化合物或烃类碳氢化合物。
5.根据权利要求3或4所述的一种含氮碳表面的固体电解质膜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。
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