氢燃料电池金属双极板及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氢燃料电池金属双极板及其制备方法，包括表面带镀层的金属双极板，所述镀层由金属双极板表面向外依次为Cr镀层、CrC镀层及TiCrC镀层，形成Cr‑CrC‑TiCrC三元复合镀层。本发明专利技术具有优异的导电性能和耐腐蚀性能，接触电阻低，膜基结合力好。本发明专利技术氢燃料电池金属双极板具有优异的导电性能和耐腐蚀性能，接触电阻低，膜基结合力好。本发明专利技术制备方法简单，易于实现，适合推广应用。

Metal bipolar plates for hydrogen fuel cells and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
氢燃料电池金属双极板及其制备方法
本专利技术涉及一种燃料电池组件及其制备方法，特别是涉及一种具有镀层的金属双极板及其制备方法，应用于燃料电池

技术介绍
双极板是燃料电池的重要部分。通过双极板，将氢气与氧气隔离开来，同时还要保证电池的气密性，以杜绝氢气与氧气相互串通，引起燃烧甚至爆炸。同时，通过双极板将电池的电流收集起来作用于负载。因此双极板必须有较好的致密性与导电性。除了需要良好的致密性和导电性以外，电池内的电解质是酸性的，因此双极板处于酸性介质之中，长期处于这种环境中，双极板容易被腐蚀，因此，双极板必须拥有在酸性介质中耐腐蚀的特性。现阶段，我国自主开发的氢燃料电池双极板以石墨双极板为主，由于石墨较为疏松，为保证双极板性质，石墨双极板厚度较厚、重量较重，所以在氢燃料电池减轻质量、提高效率上也存在相关技术困难。金属材料有良好的韧性且具有良好的延展性以利于流道加工，同时导电性致密性良好。正是这种优点，金属基材料双极板是非常合适的双极板材料，同时方便加工，适合商业化生产。不锈钢、铜、钛和镍等是世界上最常用的质子交换膜燃料电池的金属双极板。但在燃料电池的酸性环境中长期存在，金属的双极板难免会被腐蚀，使得长期环境下电池运行不稳定。其次，金属板表面由于腐蚀会存在一系列的钝化层，这些钝化层并不是良好的电的导体，使得表面接触电阻大大增加。若要达到商用条件，防止金属板表面腐蚀，必须对金属板表面进行处理或修改。通过改性或处理，可以提高耐腐蚀性，使得其在电池内部环境中保持良好的耐蚀性。金属双极板表面的涂层常见的有贵金属涂层，Cr涂层、CrN涂层、C涂层、TiN涂层，TiC涂层等，各涂层均有其优点，但是也都存在一定缺点，或是导电性不足，或是导热性不足，或是耐腐蚀性不足，或是膜基结合力不足，因此，需要开发一种兼顾各方面性能的金属双极板。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种氢燃料电池金属双极板及其制备方法，具有优异的导电性能和耐腐蚀性能，接触电阻低，膜基结合力好，导热性能好。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种氢燃料电池金属双极板，为具有表面镀层的金属双极板，所述镀层是由金属双极板基体表面向外依次形成的Cr镀层、CrC镀层及TiCrC镀层组成的Cr-CrC-TiCrC三元复合镀层。上述金属双极板基体的材料优选采用316L不锈钢或钛合金。优选上述Cr镀层的厚度为0.5～1.5mm。优选上述CrC镀层的厚度为0.5～1.5mm。优选上述TiCrC镀层的厚度为2～3mm。一种所述氢燃料电池金属双极板的制备方法，包括如下步骤：(1)金属双极板预处理：采用金属双极板作为基板，对金属双极板表面进行预处理，清洗金属双极板表面，以获得清洁的金属双极板表面；(2)把经过所述步骤(1)预处理后的洁净的金属双极板放入磁控溅射器的真空腔内，进行抽真空，然后对金属双极板表面进行离子溅射清洗，得到作为基板的金属双极板；(3)开启Cr靶，对在所述步骤(2)得到的作为基板的金属双极板进行Cr镀层溅射，从而在金属双极板表面结合Cr镀层；(4)保持Cr靶继续开启，并开启C靶，在所述步骤(3)得到的Cr镀层之上进行CrC镀层溅射，在CrC镀层表面再结合CrC镀层，将CrC镀层作为过渡层，备用；(5)保持Cr靶和C靶继续开启，并开启Ti靶，在所述步骤(4)得到的CrC镀层之上进行TiCrC镀层溅射，在CrC镀层表面再结合TiCrC镀层，从而在金属双极板表面上向外依次形成的Cr镀层、CrC镀层及TiCrC镀层组成的Cr-CrC-TiCrC三元复合镀层，得到氢燃料电池金属双极板产品；(6)关闭Ti、Cr、C靶，对在所述步骤(5)中制备的Cr-CrC-TiCrC三元复合镀层进行离子溅射清洗，开放气阀，取出氢燃料电池金属双极板产品。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤(1)中，所述预处理步骤为：先用砂纸对金属双极板表面打磨，然后采用抛光机进行抛光，再采用蒸馏水进行冲洗，接着将金属双极板分别浸入乙醇和丙酮溶液中进行超声清洗，然后烘干，得到清洁的金属双极板。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤(2)中，抽真空为将真空腔体内压力抽至不高于2×10-5Torr为止。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤(2)或步骤(6)中，所述离子溅射清洗采用氩离子溅射清洗20-30min。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤(3)中，控制制备Cr镀层溅射的工艺参数为：Cr靶电流大小2-8A，基体偏压-80V，沉积时间15-20min。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤(4)中，控制制备CrC镀层的工艺参数为：保持Cr靶电流不变，将C靶电流调节为2-8A，基体偏压-80V，沉积时间15-30min。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤(4)中，控制制备TiCrC镀层溅射的工艺参数为：保持Cr靶和C靶的电流不变，将Ti靶电流调节为2-8A，基体偏压-80V，沉积时间30-90min。一种氢燃料电池金属双极板，包括表面带镀层的金属双极板，所述镀层由金属双极板表面向外依次为Cr镀层、CrC镀层及TiCrC镀层。本专利技术先在金属双极板表面加工Cr镀层，Cr镀层的作用首先是具有优异的导电性，接触电阻低，由于基材是金属，首先加工Cr镀层与基材的膜基结合力更强，纯金属镀层致密均匀，耐腐蚀性能强，作为最后一道防护。CrC镀层为过渡层，由金属和非金属组成，一方面金属部分能与Cr层牢固结合，膜基结合力强，另一方面非金属部分能与TiCrC牢固结合，提高三元镀层的膜基结合力，TiCrC材料形成的镀膜如果直接镀覆在Cr层之上会则膜基结合力不强，一旦结合力减弱，电池内部的腐蚀液则更容易穿过到达最后的Cr镀层，Cr镀层要承受的抗腐蚀能力大，需要更厚的Cr层来加强耐腐蚀，这样成本就较高，而较薄的Cr镀层长久稳定的耐腐蚀性能无法满足。因此，从成本和长久稳定耐腐蚀和膜基结合力的角度出发，本专利技术设置了CrC过渡层，CrC镀接触电阻低，虽然其耐腐蚀性稍弱，但综合考虑TiCrC镀层部分替代Cr镀层作为过渡层使用，兼顾导电、耐腐蚀及提高膜基结合力。TiCrC随着Ti原子加入到CrC中之后，使得镀层中微小缺陷减小，致密性更高，耐腐蚀能力强，同时使得镀层原子的排列结构周期性增加，导电性更高，综合考虑TiCrC渡层部分为最终镀层，兼顾导电、耐腐蚀及提高膜基结合力。利用TiCrC镀层的导电和耐腐蚀性能在最外侧，导电性能好、膜基结合力强Cr镀层在最内侧，里外采用导电和耐腐蚀性能好的涂层，配合中间的导电和稍弱的CrC过镀层，形成内外导电和耐腐蚀及提高膜基结合力强的综合镀层，实现了优异性能。本专利技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：1.本专利技术氢燃料电池金属双极板的Cr-CrC-TiCrC复合镀层结合力相比TiCrC镀层镀层结合力大大提高，并对金属基板有了较大的耐腐蚀提升，综合发挥了各功能镀层的优势，实现优势互补，并获得更好的兼顾多种性能优势的综合效应；2.本专利技术氢燃料电池金属双极板具有优异的导电性能和耐腐蚀性能，接触电阻低，膜基结合力好；本专利技术制备方法简单，易于实现，适合推广应用。附图说明图1为本专利技术实施例一氢燃料电池金属双极板的Cr-CrC-TiCrC复合镀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氢燃料电池金属双极板，为具有表面镀层的金属双极板，其特征在于：所述镀层是由金属双极板基体表面向外依次形成的Cr镀层、CrC镀层及TiCrC镀层组成的Cr‑CrC‑TiCrC三元复合镀层。

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池金属双极板，为具有表面镀层的金属双极板，其特征在于：所述镀层是由金属双极板基体表面向外依次形成的Cr镀层、CrC镀层及TiCrC镀层组成的Cr-CrC-TiCrC三元复合镀层。2.根据权利要求1所述氢燃料电池金属双极板，其特征在于：所述金属双极板基体的材料为316L不锈钢或钛合金。3.根据权利要求1所述氢燃料电池金属双极板，其特征在于：所述Cr镀层的厚度为0.5～1.5mm，所述CrC镀层的厚度为0.5～1.5mm，所述TiCrC镀层的厚度为2～3mm。4.一种所述氢燃料电池金属双极板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)金属双极板预处理：采用金属双极板作为基板，对金属双极板表面进行预处理，清洗金属双极板表面，以获得清洁的金属双极板表面；(2)把经过所述步骤(1)预处理后的洁净的金属双极板放入磁控溅射器的真空腔内，进行抽真空，然后对金属双极板表面进行离子溅射清洗，得到作为基板的金属双极板；(3)开启Cr靶，对在所述步骤(2)得到的作为基板的金属双极板进行Cr镀层溅射，从而在金属双极板表面结合Cr镀层；(4)保持Cr靶继续开启，并开启C靶，在所述步骤(3)得到的Cr镀层之上进行CrC镀层溅射，在CrC镀层表面再结合CrC镀层，将CrC镀层作为过渡层，备用；(5)保持Cr靶和C靶继续开启，并开启Ti靶，在所述步骤(4)得到的CrC镀层之上进行TiCrC镀层溅射，在CrC镀层表面再结合TiCrC镀层，从而在金属双极板表面上向外依次形成的Cr镀层、CrC镀层及TiCrC镀层组成的Cr-CrC-TiCrC三元复合镀层，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱一方，李怡非非，汪宏斌，李子丰，刘立起，陈卓，秦子威，周科，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31