CN206878105U - 一种燃料电池双极板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种燃料电池双极板，属于燃料电池领域。双极板包括基体和基体两侧面的钛金纳米复合薄膜层，钛金纳米复合薄膜层采用电弧离子镀技术在基体表面沉积形成，在钛金薄膜沉积过程中，通过镀膜参数的控制，获得镀有钛金薄膜的双极板。本实用新型使在模拟燃料电池环境的耐蚀性在0.6V电压下提高3个数量级，在1.36V下提高2个数量级，接触电阻降低到0.5mΩ·cm2(0.2MPa压强)以下，在长时间模拟电池环境耐蚀测试后，具备良好的抗蚀性、优异的导电性，满足在可再生燃料电池和质子交换膜燃料电池中的长时运行要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种高质量的燃料电池双极板。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)能将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，其转化效率高、环境友好、可靠性强，被认为是21世纪首选的高效的可持续发电技术。
在各类燃料电池中，可再生燃料电池(Regenerative Fuel Cell Sectem，简称RFC)是目前比能量最高的储能系统，由水电解(WE)池和燃料电池(FC)两个主要部分构成，它能通过电解池将水电解成氢和氧然后又通过燃料电池产生电能后将氢、氧又生成水，具有循环利用可再生的特点，其功率在10～1000Kw范围，比能量可达400～1000W·hKg-1，是最轻的二次电池比能量的几倍。目前可再生燃料电池主要被开发和应用于空间飞行器及太空船的混合能量存储系统以及便携式能量系统等。
此外，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell，简称PEMFC)也是燃料电池家族中的典型代表，它具有启动快、寿命长、比功率高等优点，除适用于地面发电站以外，还特别适合用于可移动动力源和各种便携电源，是电动车和其它交通工具甚至是武器载运的理想电源之一。因此可再生燃料电池和质子交换膜燃料电池的发展对整个新能源技术领域的发展具有举足轻重的作用。
双极板在燃料电池中起着支撑、集流以及分隔氧化剂与还原剂的作用，并且引导氧化剂和还原剂在电池内电极表面流动，是燃料电池的关键组成部分，占电池重量的70％以上，在电池总成本中也占接近一半。理想的双极板应当具有很高的导电性、耐腐蚀性、高机械强度、高阻气能力、低成本易加工等特点。从一般性能上讲，金属是理想的燃料电池的双极板材料，但是金属的主要问题是在燃料电池环境下易发生腐蚀，特别是在可再生燃料电池的电解模式下，其工作电压更高，一般在1.2～1.5V，特别是电解阳极由于处于氧化气氛而使得其腐蚀环境更加恶劣，其后果不仅是使双极板功能失效，而且还会造成电池整体“毒化”而瘫痪。一些贵金属(比如金Au、银Ag、铂Pt等)具有同时导电、耐蚀的复合性能，但直接使用贵金属会带来材料成本的极大提高。
现有用不锈钢或钛板原金属代替稀缺贵金属作为双极板方案，具有低成本的优势，但是因存在着一层钝化膜，虽然对提高耐蚀性能起到积极作用，但却大大增加了双极板的接触电阻，以至于电池在运行过程中发热、功率降低和腐蚀加速。另外，也有通过多弧离子镀技术从纯钛靶与石墨靶材中制备出碳铬纳米复合薄膜沉积在双极板表面，该方案有一定的成本优势，同时具备导电和耐蚀性能，但是该双极板表面碳铬纳米复合薄膜的电阻仍较大15mΩ·cm2(0.8MPa压强)，且经过连续模拟耐蚀测试1000H后电阻较初始电阻成倍增长，导电性随抗蚀性能下降而增加，造成电池运行中发热、功率下降。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种成本可控、原材料耗量低的、高质量的、易于批量生产的燃料电池双极板。
为实现上述目的，本实用新型提出如下技术方案：一种燃料电池双极板，包括基体和基体表面的改性薄膜层，所述改性薄膜层覆盖于基体的两侧面上，且与基体连接，所述改性薄膜层为钛金纳米复合薄膜层。
优选地，所述基体为金属薄板。
优选地，所述金属薄板为不锈钢板或是钛板。
优选地，所述基体的厚度为0.05mm-1.0mm。
优选地，所述钛金纳米复合薄膜层的厚度为0.05μm-5μm。
优选地，所述钛金纳米复合薄膜层是钛或氮化钛或金或氮纳米晶中的任意两种或三种组合成的多层薄膜。
优选地，所述钛金纳米复合薄膜层是在钛纳米晶基体上分布氮化钛和金纳米晶的复合薄膜，所述钛、氮化钛和金纳米晶的晶粒大小均为3nm-100nm。
优选地，所述钛金纳米复合薄膜层是在氮化钛纳米晶基体上分布金纳米晶的复合薄膜，所述氮化钛和金纳米晶的晶粒大小均为3nm-100nm。
优选地，所述钛金纳米复合薄膜层是在氮化钛纳米晶基体上分布氮和金纳米晶的复合薄膜，所述氮化钛、氮和金纳米晶的晶粒大小均为3nm-100nm。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：通过在双极板基体表面沉积合成钛金纳米复合薄膜，增加一层纳米量级厚度的改性薄膜，这样，由基体起到支撑、隔气等作用；由表面膜层起到耐蚀、导电和疏水等作用改变金属双极板的表面性能，使在模拟燃料电池环境的耐蚀性在0.6V电压下提高3个数量级，在1.36V下提高2个数量级，接触电阻降低到0.5mΩ·cm2(0.2MPa压强)以下，在长时间模拟电池环境耐蚀测试后，具备良好的抗蚀性、优异的导电性，满足在可再生燃料电池和质子交换膜燃料电池中的长时运行要求。
附图说明
图1是本实用新型燃料电池双极板的结构示意图；
图2是本实用新型燃料电池双极板表面钛金薄膜的制备的流程示意图；
图3是本实用新型燃料电池双极板表面钛金薄膜沉积过程的流程示意图；
图4是本实用新型双极板表面接触电阻的波形示意图；
图5、图6和图7分别是本实用新型模拟电池溶液环境对钛金纳米薄膜的开路电位、动电位和0.6V恒电位的电化学测试波形示意图。
附图标记：
1、基体，2、钛金纳米复合薄膜层。
具体实施方式
下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1所示，本实用新型实施例所揭示的一种燃料电池双极板，包括基体和基体表面的钛金纳米复合薄膜层，钛金纳米复合薄膜层覆盖于基体的两侧面上，且与基体连接。
具体地，基体作为双极板基材，起支撑、隔气等作用。本实施例中，基体为金属薄板，可为但不限于是不锈钢板或是钛板，金属薄板的厚度为0.05mm～1.0mm。
钛金纳米复合薄膜层位于基体表面，对基体起到耐腐蚀、导电和疏水等作用。本实施例中，钛金纳米复合薄膜层的厚度为0.05μm-5μm，且是钛或氮化钛或金或氮纳米晶中的任意两种或三种组合成的多层薄膜。
具体地，如钛金纳米复合薄膜层是在钛纳米晶基体上分布氮化钛和金纳米晶的复合薄膜，其中，钛、氮化钛和金纳米晶的晶粒大小均为3nm-100nm。
作为可替换的实施方案，钛金纳米复合薄膜层也可是在氮化钛纳米晶基体上分布金纳米晶的复合薄膜，所述氮化钛和金纳米晶的晶粒大小均为3nm-100nm。
作为可替换的另一实施方案，钛金纳米复合薄膜层是在氮化钛纳米晶基体上分布氮和金纳米晶的复合薄膜，所述氮化钛、氮和金纳米晶的晶粒大小均为3nm-100nm。
综上，通过在双极板基材上增加一层纳米量级厚度的改性薄膜，改变金属双极板的表面性能，使在模拟燃料电池环境的耐蚀性在0.6V电压下提高3个数量级，在1.36V下提高2个数量级，接触电阻降低到0.5mΩ·cm2(0.2MPa压强)以下，在长时间模拟电池环境耐蚀测试后具备良好的抗蚀性、优异的导电性。
如图2所示，本实用新型燃料电池双极板表面的钛金薄膜制备是采用电弧离子镀技术在基体表面沉积钛金纳米复合薄膜层，具体包括以下步骤：
S1，将清洗烘干后的基体放于PVD设备真空炉内，当将真空室真空抽到2×10-2Pa时，对真空室加热，加热至150℃时停止加热。
具体地，将基体超声清洗、烘干处理后，利用夹具固定好放入PVD设备真空炉内，在阴极靶位上安装圆柱纯钛靶和圆柱纯金靶；打开抽空系统对真空炉进行抽真空，当抽空系统将真空室压力抽至2×10-2Pa时，打开加热系统对真空炉进行加热，将真空室温度加热至150℃时关闭加热系统。
S2，当真空室抽真空至4×10-3Pa时充入工作气体，调整工作气压到0.3～0.5Pa，并加偏压启动阴极靶电弧开始轰击所述基体去除表面钝化层，轰击持续时间为2～10分钟；其中，所述工作气体为惰性气体，流量为50～500sccm，加偏压的幅值为-300V～-800V，启动的阴极靶电弧为纯钛靶电弧，弧流为50A～120A。
具体地，当真空室真空抽到4×10-3Pa时，充入工作气体，调整工作气压到0.3～0.5Pa，打开的脉冲偏压，启动阴极圆柱靶电弧，开始轰击基板去除表面钝化层，，轰击持续时间为2～10分钟。本实施例中，采用离子轰击或溅射的方式进行轰击基板，离子轰击的离子主要来自于金属靶电弧蒸发的弧光放电等离子体以及少量惰性气体的辉光放电等离子体。工作气体为惰性气体，如氩，氩气流量为50～500sccm，启动的阴极电弧为纯钛金属靶电弧，弧流为50A～120A，加偏压的幅值为-300V～-800V。
S3，将偏压设定为-50V～-300V，调整工作气压到0.2Pa～1.0Pa，启动纯钛靶中频电源并调整其到设定功率开始进行薄膜沉积过程，沉积时间为20min-150min。
具体地，在薄膜沉积过程中，对反应气体流量和纯钛靶、金靶功率匹配进行调整，其中，启动纯钛靶后功率定为5KW～15KW，启动金靶后功率设定为0.5KW～5KW，薄膜沉积过程中纯钛靶一直处于开启状态，反应气体的流量根据钛靶功率范围调整在15～300sccm，且其加至设定最大值后继续保持稳定，直至成膜结束。本实施例中，反应气体包括氮气。
其中，如图3所示，薄膜沉积过程具体包括以下步骤：
S31，将偏压设定为-50～-150V，启动纯钛靶中频电源并调整其到设定功率5～15KW，开始沉积薄膜底层纯钛层；
S32，将偏压设定为-50～-200V，通入相应的反应气体开始沉积加气过膜层，反复调整偏压设定值，持续30～60分钟反应气体加至设定最大值；
S33，启动金靶中频电源，将其功率设定为0.5～5KW，此时钛靶和金靶同时溅射基体，持续5～10分钟后关闭钛靶中频电源，之后金靶中频电源继续10～25分钟后依次关闭其中频电源、偏压、工作气体(包括惰性气体和反应气体)。
S4，最后经过炉冷却后、放开真空取出已镀膜的双极板。
具体地，炉内冷却抽空10分钟，充气打开炉门取出已镀膜双极板。
下面通过两个具体实施例，进一步描述本实用新型制备燃料电池双极板表面钛金薄膜的方法流程。
实施例1
将不锈钢双极板经前清洗、烘干处理后，利用夹具固定好放入PVD设备真空炉内，在阴极靶位上安装圆柱纯钛靶和圆柱纯金靶；当抽空系统将真空是压力抽至2×10-2Pa时，打开加热系统将真空室温度加热至150℃时关闭加热系统；当抽空至4×10-3Pa时，充入氩气压力至0.30pa，氩气流量为50sccm，打开-300×40KHZ×75％的脉冲偏压，启动阴极圆柱纯钛靶电弧，弧流为120A，利用靶电弧蒸发的弧光放电等离子体以及少量惰性气体的辉光放电等离子体轰击(溅射)基板去除表面钝化层，持续10分钟后将偏压降到-100×40KHZ×75％，关闭圆柱纯钛靶电弧电源，开启磁控圆柱钛靶中频电源，功率设定5KW，开始沉积薄膜底层纯钛层；将偏压降到-50×40KHZ×50％，通入N2开始沉积加气过膜层，再将偏压降到-150×40KHZ×50％，反复调整偏压设定值，持续60分钟后N2量加至设定末值，打开金靶中频电源，功率设定0.5KW，此时钛靶和金靶同时溅射，稳定10分钟后关闭钛靶中频电源，只开金靶中频电源继续25分钟后依次中频电源、偏压、工作气体，炉内冷却抽空10分钟，充气打开炉门取出已镀膜双极板。此时，双极板表面的铬碳纳米薄膜厚度为1.0um，结合图5～图7所示，表面纳米硬度≥15Gpa(6mN负载)，震动摩擦测试≥2H，接触电阻≤0.5mΩ·cm2(0.2MPa压强)具备优异导电性，在模拟电池溶液环境中，高电位加速腐蚀条件下，测得的腐蚀电流密度0～0.1μm，表现出良好的耐蚀性。
实施例2
将不锈钢双极板经前清洗、烘干处理后，利用夹具固定好放入PVD设备真空炉内，在阴极靶位上安装圆柱纯钛靶和圆柱纯金靶；当抽空系统将真空是压力抽至2×10-2Pa时，打开加热系统将真空室温度加热至150℃时关闭加热系统；当抽空至4×10-3Pa时，充入氩气压力至0.40pa，氩气流量为300sccm，打开-800×40KHZ×50％的脉冲偏压，启动阴极圆柱纯钛弧靶，弧流为50A,利用靶电弧蒸发的弧光放电等离子体以及少量惰性气体的辉光放电等离子体轰击(溅射)基板去除表面钝化层，持续2分钟后将偏压降到-150×40KHZ×75％，关闭柱弧靶电源开启磁控圆柱钛靶中频电源，功率设定13KW，开始沉积薄膜底层纯钛层；将偏压降到-100×40KHZ×50％通入N2开始沉积加气过膜层，再将偏压降到-200×40KHZ×50％，反复调整偏压设定值，持续30分钟后N2量加至设定末值，打开金靶中频电源，功率设定5.0KW，此时钛靶和金靶同时溅射，稳定10分钟后关闭钛靶中频电源，只开金靶中频电源继续成膜25分钟后依次中频电源、偏压、工作气体，炉内冷却抽空10分钟，充气打开炉门取出已镀膜双极板。此时双极板表面的钛金纳米薄膜厚度为1.0um，结合图5～图7所示，表面纳米硬度≥15Gpa(6mN负载)，震动摩擦测试≥2H，接触电阻≤0.5mΩ·cm2(0.2MPa压强)具备优异导电性，在模拟电池溶液环境中，高电位加速腐蚀条件下，测得的腐蚀电流密度0～0.1μm，表现出良好的耐蚀性。
实施例3
将不锈钢双极板经前清洗、烘干处理后，利用夹具固定好放入PVD设备真空炉内，在阴极靶位上安装圆柱纯钛靶和圆柱纯金靶；当抽空系统将真空是压力抽至2×10-2Pa时，打开加热系统将真空室温度加热至150℃时关闭加热系统；当抽空至4×10-3Pa时，充入氩气压力至0.50pa，氩气流量为500sccm，打开-500×40KHZ×75％的脉冲偏压，启动阴极圆柱纯钛靶电弧，弧流为80A,利用靶电弧蒸发的弧光放电等离子体以及少量惰性气体的辉光放电等离子体轰击(溅射)基板去除表面钝化层，持续5分钟后将偏压降到-50×40KHZ×75％，关闭圆柱纯钛靶电弧电源，开启磁控圆柱钛靶中频电源，功率设定15KW，开始沉积薄膜底层纯钛层；将偏压保持为-100×40KHZ×50％，通入N2开始沉积加气过膜层，再将偏压加到-200×40KHZ×50％，反复调整偏压设定值，持续40分钟后N2量加至设定末值，打开金靶中频电源，功率设定2.5KW，此时钛靶和金靶同时溅射，稳定8分钟后关闭钛靶中频电源，只开金靶中频电源继续15分钟后依次关闭中频电源、偏压、工作气体，炉内冷却抽空10分钟，充气打开炉门取出已镀膜双极板。此时，双极板表面的钛金纳米薄膜厚度为1.0um，结合图5～图7所示，表面纳米硬度≥15Gpa(6mN负载)，震动摩擦测试≥2H，接触电阻≤0.5mΩ·cm2(0.2MPa压强)具备优异导电性，在模拟电池溶液环境中，高电位加速腐蚀条件下，测得的腐蚀电流密度0～0.1μm，表现出良好的耐蚀性。
本实用新型的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本实用新型的教示及揭示而作种种不背离本实用新型精神的替换及修饰，因此，本实用新型保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本实用新型的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种燃料电池双极板，其特征在于，其包括基体和基体表面的改性薄膜层，所述改性薄膜层覆盖于基体的两侧面上，且与基体连接，所述改性薄膜层为钛金纳米复合薄膜层。
2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述钛金纳米复合薄膜层的厚度为0.05μm-5μm。
3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述钛金纳米复合薄膜层是钛或氮化钛或金或氮纳米晶中的任意两种或三种组合成的多层薄膜。
4.根据权利要求3所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述钛金纳米复合薄膜层是在钛纳米晶基体上分布氮化钛和金纳米晶的复合薄膜，所述钛、氮化钛和金纳米晶的晶粒大小均为3nm-100nm。
5.根据权利要求3所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述钛金纳米复合薄膜层是在氮化钛纳米晶基体上分布金纳米晶的复合薄膜，所述氮化钛和金纳米晶的晶粒大小均为3nm-100nm。
6.根据权利要求3所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述钛金纳米复合薄膜层是在氮化钛纳米晶基体上分布氮和金纳米晶的复合薄膜，所述氮化钛、氮和金纳米晶的晶粒大小均为3nm-100nm。
7.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述基体为金属薄板。
8.根据权利要求7所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述金属薄板为不锈钢板或是钛板。
9.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述基体的厚度为0.05mm-1.0mm。
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