一种燃料电池双极板制造技术

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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·cm

A fuel cell bipolar plate

The utility model discloses a fuel cell bipolar plate, which belongs to the field of fuel cell. Titanium nano composite film layer includes two side bipolar plate substrate and the substrate, the titanium nano composite film layer by arc ion plating was deposited on the surface of substrate formed in titanium thin film deposition process, controlled by the deposition parameters, to obtain coated bipolar plate titanium film. The corrosion resistance of the fuel cell environment is increased by 3 orders of magnitude under the 0.6V voltage and 2 orders of magnitude at 1.36V, and the contact resistance is reduced to 0.5m 0.5m.

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池双极板
本技术涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种高质量的燃料电池双极板。
技术介绍
燃料电池(FuelCell)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(RegenerativeFuelCellSectem，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(ProtonExchangeMembraneFuelCell，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
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。
技术实现思路
本技术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，本技术提出如下技术方案：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，本技术的有益效果是：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是本技术燃料电池双极板的结构示意图；图2是本技术燃料电池双极板表面钛金薄膜的制备的流程示意图；图3是本技术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是本技术双极板表面接触电阻的波形示意图；图5、图6和图7分别是本技术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技术的附图，对本技术实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。如图1所示，本技术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，本技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：施巧萍，张凤梅，
申请(专利权)人：苏州邦华真空镀膜科技有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32