一种金属双极板以及燃料电池制造技术

本实用新型专利技术是关于一种金属双极板以及燃料电池，涉及燃料电池领域。主要采用的技术方案为：金属双极板包括金属基板和交替涂层。交替涂层沉积在金属基板上；交替涂层包括至少两个依次沉积的单元涂层，且每个单元涂层包括过渡涂层和第一导电涂层。过渡涂层与金属基板的结合力大于第一导电涂层与金属基板的结合力。交替涂层中的一个单元涂层为第一单元涂层；第一单元涂层中的过渡涂层与金属基板接触。一种燃料电池包括上述的金属双极板。本实用新型专利技术主要用于提高金属双极板的耐腐蚀性、导电性、提高涂层与金属基板的结合力、延长金属双极板使用寿命。

A Metal Bipolar Plate and Fuel Cell

【技术实现步骤摘要】
一种金属双极板以及燃料电池
本技术涉及一种燃料电池
，特别是涉及一种金属双极板以及燃料电池。
技术介绍
双极板是PEMFC电堆的最关键部件之一，其成本在电堆的成本中占35％左右。双极板主要用于传递电子、传递热量、收集气体、分割单电池等。因此，开发具有高导电导热性，低气体渗透率，高机械强度，高耐腐蚀性，易于加工流道等特点的材料是目前双极板研究的主要目标。金属材质的双极板(尤其是不锈钢材料)以其优良的导电导热性、易于加工成型、成本低等特点，赢得诸多学者的关注。但是，金属材质的双极板的表面会生成导电性较差的氧化层，同时在电堆的工作环境下易发生腐蚀。并且，金属腐蚀产生的金属离子经扩散后，进入膜电极后，会使质子交换膜的电导率下降，甚至还会使催化剂中毒，从而对电池性能产生非常不利的影响。目前，金属双极板的主要制备方法是采用物理气相沉积法在金属基板上沉积涂层。如，第一种现有技术的金属双极板是在不锈钢基板的表面沉积一层金属氮化物。第二种现有技术的金属双极板是在金属基板上沉积非晶碳膜或石墨烯膜涂层。但是，上述提及的现有技术至少存在如下技术问题：(1)上述提及的第一种现有技术的金属双极板在长期工作后，其腐蚀问题还是比较明显。(2)上述提及的第二种现有技术虽然在一定程度上可以提高耐腐蚀性；但是，整体涂层与金属基板的结合力较差，长期使用涂层会脱落。(3)由于物理气相沉积的固有特点，会使涂层的内部及表面均存在针孔，腐蚀介质通过针孔进入膜层内部达到金属基体，腐蚀基体。虽然，现有技术也对针孔缺陷提出了修复方案，但是现有的修复方案只能封闭耐腐蚀涂层表面的孔隙，对耐腐蚀涂层内部孔隙的封闭能力有限。
技术实现思路
有鉴于此，本技术提供一种金属双极板以及燃料电池，主要目的在于提供一种耐腐蚀性良好、涂层不易脱落、导电性良好的金属双极板。为达到上述目的，本技术主要提供如下技术方案：一方面，本技术的实施例提供一种金属双极板，其中，所述金属双极板包括：金属基板；交替涂层，沉积在所述金属基板上；其中，所述交替涂层包括至少两个依次沉积的单元涂层，且每个所述单元涂层包括过渡涂层和第一导电涂层；其中，所述过渡涂层与所述金属基板的结合力大于所述第一导电涂层与所述金属基板的结合力；其中，所述交替涂层中的一个单元涂层为第一单元涂层；所述第一单元涂层中的过渡涂层与所述金属基板接触。本技术的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。优选的，所述过渡涂层为金属氮化物涂层，所述金属氮化物涂层为TiCrN涂层；和/或所述第一导电涂层为石墨涂层；和/或所述第一单元涂层中的过渡涂层的厚度为20～200nm；在所述交替涂层中，除了所述第一单元涂层之外的其他单元涂层为第二单元涂层；其中，所述第二单元涂层中的过渡涂层的厚度为1～50nm；优选的，所述第一导电涂层的厚度为1～50nm。优选的，所述交替涂层中的过渡涂层与第一导电涂层交替沉积；和/或相邻的过渡涂层和第一导电涂层之间具有过渡部分；其中，所述过渡部分的成分包括所述过渡涂层的成分和第一导电涂层中的成分；其中，当所述过渡涂层为TiCrN涂层、第一导电涂层为石墨涂层时，所述过渡部分的成分包括钛、铬、氮及碳。优选的，所述金属双极板还包括第二导电涂层；其中，所述第二导电涂层沉积在所述交替涂层上；优选的，所述第二导电涂层的成分包括石墨和第一金属；其中，所述第二导电涂层具有第一针孔，所述第一针孔由所述第一金属形成的氧化物封堵。优选的，所述第二导电涂层中石墨的含量为60～80％；优选的，所述第一金属包括钛和铬中的一种或两种；优选的，所述第二导电涂层，以质量百分数计，包括60～80％的石墨、10～30％的钛、2～10％的铬；优选的，所述第二导电涂层的厚度为20nm～5μm。优选的，所述金属双极板还包括疏水层；其中，所述疏水层设置在所述第二导电涂层上；进一步优选的，所述疏水层的成分包括PTFE。另一方面，本技术的实例还提供一种燃料电池，其中，所述燃料电池包上述任一项所述的金属双极板；或所述燃料电池包括上述金属双极板的制备方法制备而成的燃料电池。与现有技术相比，本技术的一种金属双极板以及燃料电池至少具有下列有益效果：一方面，金属基板与涂层的结合力对金属双极板长期稳定性起到至关重要的作用，并且金属基板与石墨类涂层的结合力比较差；本技术实施例采用过渡涂层(优选金属氮化物涂层)打底，再过渡到第一导电涂层(优选石墨涂层)，这样不仅可以有效的提高整个涂层的结合力，还可以确保金属双极板的导电性。另一方面，由于沉积的涂层存在针孔的缺陷，同一涂层中的针孔很容易贯穿整个涂层；本技术实施例采用交替沉积的过渡涂层(优选金属氮化物涂层)、第一导电涂层(优选石墨涂层)的方法来达到阻止氢离子通过针孔向基体内部渗透的目的，提高金属双极板的耐腐蚀性。进一步地，为了进一步提高金属双极板的导电性，本实施例中的金属双极板还包括沉积在交替涂层上的第二导电涂层。其中，第二导电涂层的成分包括石墨和第一金属；其中，石墨的含量为60～80％，进一步优选为70～80％。其中，第二导电涂层具有第一针孔，第一针孔由所述第一金属形成的氧化物封堵。在此，由于沉积的涂层存在针孔的缺陷，为了实现封孔，提高金属双极板的耐腐蚀性，本实施例通过使第二导电涂层的成分包括少量的第一金属，这样至少部分第一金属在高速氧离子的作用下可以形成第一金属氧化物将第二导电涂层中的部分或全部针孔封堵，同时，高速氧离子还可以将第二导电涂层上结合力较弱的部分清除，从而进一步提高金属双极板的耐腐蚀性。进一步地，本技术实施例提供的金属双极板通过在第二导电涂层上设置一层疏水层，提高金属双极板的疏水性，进一步阻止氢离子通过针孔向基体内部渗透，进一步提高金属双极板的耐腐蚀性。另外，PTFE的疏水性能较好，且不影响金属双极板的导电性能。综上，本技术实施例提供的金属双极板中的涂层材料均为普通材料，通过上述涂层的结构，在提高金属双极板的耐腐蚀性、导电性、涂层与金属基板结合力、导热性、疏水性的同时，还能降低金属双极板的制造成本。上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1是本技术实施例提供的一种金属双极板的结构示意图；图2是本技术实施例提供的一种金属双极板在沉积第二导电涂层后，在用氧离子溅射封孔修饰处理前的结构示意图；图3是本技术实施例提供的一种金属双极板在沉积第二导电涂层后，并用氧离子溅射封孔修饰处理后的结构示意图；图4是本技术实施例提供的一种沉积在金属基板上的交替涂层的结构示意图。具体实施方式为更进一步阐述本技术为达成预定技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本技术申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。实施例1本实施例提供一种金属双极板，如图1至图4所示，本实施例中的金属双极板包括：金属基板1和交替涂层2。其中，交替涂层2沉积在金属基板1上；交替涂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属双极板，其特征在于，所述金属双极板包括：金属基板；交替涂层，沉积在所述金属基板上；其中，所述交替涂层包括至少两个依次沉积的单元涂层，且每个所述单元涂层包括过渡涂层和第一导电涂层；其中，所述过渡涂层与所述金属基板的结合力大于所述第一导电涂层与所述金属基板的结合力；其中，所述交替涂层中的一个单元涂层为第一单元涂层；所述第一单元涂层中的过渡涂层与所述金属基板接触。

【技术特征摘要】
1.一种金属双极板，其特征在于，所述金属双极板包括：金属基板；交替涂层，沉积在所述金属基板上；其中，所述交替涂层包括至少两个依次沉积的单元涂层，且每个所述单元涂层包括过渡涂层和第一导电涂层；其中，所述过渡涂层与所述金属基板的结合力大于所述第一导电涂层与所述金属基板的结合力；其中，所述交替涂层中的一个单元涂层为第一单元涂层；所述第一单元涂层中的过渡涂层与所述金属基板接触。2.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，所述过渡涂层为金属氮化物涂层。3.根据权利要求2所述的金属双极板，其特征在于，所述金属氮化物涂层为TiCrN涂层。4.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，所述第一导电涂层为石墨涂层；和/或所述第一单元涂层中的过渡涂层的厚度为20～200nm；在所述交替涂层中，除了所述第一单元涂层之外的其他单元涂层为第二单元涂层；其中，所述第二单元涂层中的过渡涂层的厚度为1～50nm；和/或所述第一导电涂层的厚度为1～50nm。5.根据权利要求1-4任一项所述的金属双极板，其特征在于，所述交替涂层中的过渡涂层...

【专利技术属性】
技术研发人员：上官鹏鹏，王海峰，王利生，
申请(专利权)人：浙江锋源氢能科技有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江,33