CN201717318U

CN201717318U - 一种质子交换膜燃料电池用金属双极板

Info

Publication number: CN201717318U
Application number: CN2010201554416U
Authority: CN
Inventors: 付宇; 潘欢欢; 侯中军; 刘常福; 明平文
Original assignee: Sunrise Power Co Ltd
Current assignee: Sunrise Power Co Ltd
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2020-04-09

Abstract

一种质子交换膜燃料电池用金属双极板，金属双极板表面有改性层，表面改性层包括：与金属基板邻接的金属钛中间层和金属钛中间层上的碳基膜复合层。金属钛中间层上的碳基膜复合层是碳、碳化钛和金属钛混合的碳基膜复合层。本实用新型的优点是：金属双极板基体上有多层保护，保护层可以互相弥补，使双极板具有极强的耐腐蚀性能，从而显著延长双极板的使用寿命；同时双极板具有优良的导电性能，可以显著降低质子交换膜燃料电池的内阻，提高电池输出性能；改性层成本低廉，有助于降低整个燃料电池系统的成本，提高整体竞争力。

Description

一种质子交换膜燃料电池用金属双极板

技术领域

本实用新型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

本实用新型的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池用金属双极板及其表面改性方法，使金属双极板具有优良的耐腐蚀性能和导电能力。本实用新型的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池用金属双极板，金属双极板表面有改性层，其特征在于所述金属双极板表面改性层包括：与金属基板邻接的金属钛中间层和金属钛中间层上的碳基膜复合层。

本实用新型所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板，其特征在于所述金属钛中间层的厚度在0.2～5微米之间；所述金属钛中间层上的碳基膜复合层的厚度在0.2～5微米之间。金属钛中间层上的碳基膜复合层是碳、碳化钛和金属钛混合的碳基膜复合层，碳基膜复合层中，碳元素原子百分比占50％～95％，钛元素原子百分比占5％～50％。

本实用新型的金属双极板的制备方法包括：对基体金属薄板表面清理和金属薄板表面改性处理，对基体金属薄板表面清理包括清除基体金属薄板表面的钝化膜和杂质，其特征在于所述金属双极板表面改性处理层的处理方法包括用电弧离子镀和多靶磁控溅射方法，但不限于上述方法，在金属薄板表面沉积金属钛中间层，再在金属钛中间层上沉积碳基膜复合层。在金属钛中间层上沉积碳基膜复合层是在沉积真空室内对金属双极板的金属钛中间层同时进行钛靶和碳靶反应磁控溅射：钛靶40W功率，0.25KV电压，0.20A电流下工作；碳靶80W功率，0.25KV电压，0.40A电流下工作；时间30min。在金属钛中间层上沉积碳基膜复合层时，伴有碳和钛的反应，生成碳化钛。

本实用新型具有如下优点：双极板的表面改性层材料以碳为主。碳是PEMFC中应用最广泛的材料，催化剂载体、扩散层和传统的纯石墨双极板，用的都是碳材料，碳在PEMFC中的稳定性已经被广泛证实。而且，双极板表面碳膜与扩散层碳纸为同一材质，接触电阻有望降到非常低的程度。使双极板具有优良的导电性能，可以显著降低质子交换膜燃料电池的内阻，提高电池输出性能。

其次，表面碳层中的TiC有助于增强碳基膜与钛中间层间的结合力。TiC是在钛中间层的基础上，在表面碳膜的沉积过程中通过反应生成的。因此TiC与钛层间有很好的结合，而且对碳有“铆钉”作用，使表面碳层不易脱落。TiC具有耐高温、抗氧化、强度高、导热性良好等优异性能。TiC优良的导电性和在模拟PEMFC环境下的耐腐蚀性能已经被证实。因此，碳基膜中的少量TiC可以显著增强复合结构薄膜的稳定性而不影响使用性能。

第三，以具有一定厚度的金属钛作为中间层。钛本身具有很强的耐强酸和强碱腐蚀的能力。研究表明，采用耐腐蚀的中间层材料可以提高整个双极板的耐腐蚀性能。钛夺取氧的能力很强，在钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出强的抗腐蚀性。因此，即使表层碳基薄膜受到破坏，露出的钛也会自然生成保护膜，防止腐蚀进一步发生。具有有多层保护作用，保护层可以互相弥补，从而显著延长双极板的使用寿命。

第四，材料成本低廉，有助于降低整个燃料电池系统的成本，提高整体竞争力。

附图说明

本实用新型共有附图1幅，是本实用新型的双极板的结构示意图，附图中，

1、双极板基体，2、金属钛中间层，3、碳基膜复合层，4、碳基膜复合层中的金属钛，5、碳基膜复合层中的碳化钛。

具体实施方式

实施例1

实施例1是表面改性层厚度为3mm的纯钛双极板。在纯钛双极板上通过磁控溅射技术制备改性层。改性层分别为金属钛中间层2和碳基膜复合层3，在碳基膜复合层3中，含有金属钛颗粒4和碳化钛颗粒5。制备该改性层时，磁控溅射设备内有6个对称靶位，3个钛靶和3个碳靶分别相对。成膜过程中，被镀样品自转的同时绕真空室公转。钛靶和碳靶纯度均为99.99％，厚度均为40mm，直径均为80mm。将尺寸为100mm×100mm×1.0mm的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。在100℃，40W功率，0.25KV电压，0.20A电流下钛靶进行反应磁控溅射，时间为30min。此时金属钛中间层2厚度为1微米。而后在100℃，钛靶和碳靶同时进行反应磁控溅射：钛靶40W功率，0.25KV电压，0.20A电流下工作；碳靶80W功率，0.25KV电压，0.40A电流下工作；时间30min，此时碳基膜复合层3厚度为2微米。冷却后取出既获得表面具有碳基膜复合层的双极板。

实施例2

实施例2是表面改性层厚度为3mm的钛合金双极板。在钛合金双极板上通过磁控溅射技术制备改性层。改性层分别为金属钛中间层2和碳基膜复合层3，在碳基膜复合层3中，含有金属钛颗粒4和碳化钛颗粒5。制备该改性层时，在钛合金双极板上通过离子镀技术制备改性层。设备内有6个对称靶位，3个钛靶和3个碳靶分别相对。成膜过程中，被镀样品自转的同时绕真空室公转。钛靶和碳靶纯度均为99.99％，厚度均为40mm，直径均为80mm。将尺寸为100mm×100mm×1.0mm的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。在100℃，60W功率，0.25KV电压，0.20A电流下钛靶进行反应磁控溅射，时间为10min。此时金属钛中间层2厚度为0.5微米。而后在100℃，钛靶和碳靶同时进行反应磁控溅射：钛靶60W功率，0.25KV电压，0.20A电流下工作；碳靶100W功率，0.25KV电压，0.40A电流下工作；时间60min，此时碳基膜复合层3厚度为1.5微米。冷却后取出既获得表明具有碳基膜复合层的双极板。

Claims

1.一种质子交换膜燃料电池用金属双极板，金属双极板表面有改性层，其特征在于所述金属双极板表面改性层包括：与金属基板(1)邻接的金属钛中间层(2)和金属钛中间层(2)上的碳基膜复合层(3)。

2.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池用金属双极板，其特征在于所述金属钛中间层(2)的厚度在0.2～5微米之间；所述金属钛中间层(2)上的碳基膜复合层(3)的厚度在0.2～5微米之间。