极板结构及其制备方法以及具有其的双极板和燃料电池技术

本申请提供一种极板结构及其制备方法以及具有其的双极板和燃料电池，包括：金属基板和金属氧化物层，金属氧化物层设置于金属基板的表面上。根据本申请的极板结构及其制备方法以及具有其的双极板和燃料电池，能有效提高金属极板耐腐蚀性。

【技术实现步骤摘要】
极板结构及其制备方法以及具有其的双极板和燃料电池
本申请属于燃料电池
，具体涉及一种极板结构及其制备方法以及具有其的双极板和燃料电池。
技术介绍
目前，在燃料电池行业，如PEM电解制氢和PEMFC燃料电池，双极板是燃料电池的重要部件之一。以前，双极板的主要材料为石墨，其价格昂贵，使得双极板材料的成本占整个电池成本的25％-35％；且石墨材料还存在机械加工性能差的缺陷，因此，具有价格低廉、机械加工性能好、韧性好、强度好的金属材料的双极板。现有技术中，对金属基板的改性方法是利用物理气相沉积法在金属基板的表面沉积耐腐蚀涂层后、再在耐腐蚀涂层上沉积导电层。但是，利用该技术制备的金属双极板至少存在如下技术问题：(1)由于金属双极板苛刻的运行环境，对涂层的导电性和耐腐蚀性都提出了严格的限制，目前选用的导电的涂层材料在耐腐蚀性上有很大的欠缺，或者初始性能较好，但使用寿命比较短。(2)耐腐蚀层和导电涂层在纵向上存在针孔现象，在燃料电池的腐蚀环境中，腐蚀介质通过针孔进入膜层内部达到金属基体，腐蚀基体。因此，如何提供一种能有效提高金属极板耐腐蚀性的极板结构及其制备方法以及具有其的双极板和燃料电池成为本领域技术人员急需解决的问题。
技术实现思路
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种极板结构及其制备方法以及具有其的双极板和燃料电池，能有效提高金属极板耐腐蚀性。为了解决上述问题，本申请提供一种极板结构，包括：金属基板；金属氧化物层，金属氧化物层设置于金属基板的表面上。优选地，极板结构还包括金属氮化物层，金属氮化物层设置于金属氧化物层上。优选地，极板结构还包括非晶碳膜层，非晶碳膜层设置于金属氮化物层上。优选地，非晶碳膜层的厚度为50nm～5μm；和/或，非晶碳膜层中的SP2杂化碳的质量分数为60～90％；和/或，金属氧化物中的金属为Ti和Al中的任一种或两种组合；和/或，金属氧化物为TiO2、TiO、Al2O3、AlO中的任一种或多种组合；和/或，金属氮化物为Ti2N、TiN、Al2N3、AlN任一种或多种组合；和/或，金属氧化物层的厚度为20～100nm；和/或，金属氮化物层的厚度为10～90nm；和/或，金属基板的材质为不锈钢、钛、钛合金、铝、铝合金、镍中任的一种。根据本申请的再一方面，提供了一种极板结构制备方法，包括如下步骤：对金属基板的表面上沉积金属氧化物，并在金属基板的表面形成金属氧化物层。优选地，极板结构制备方法还包括：对金属氧化物层进行氮化处理，并形成金属氮化物层；和/或，对金属基板的表面上沉积金属氧化物之前，还包括如下步骤：对金属基板进行预处理；预处理包括第一预处理，第一预处理依次对金属基板进行除油、抛光、清洗、干燥处理；优选地，第一预处理包括如下步骤：对金属基板依次进行除油、抛光、清洗、干燥处理。具体地，对选定的金属基板用1M的氢氧化钠溶液在80℃下进行第一次除油处理；清洗干净后，再用酒精进行第二次除油清洗；然后，采用氧化铝或金刚石抛光膏进行打磨处理；抛光完成后用纯水进行清洗，经过清洗的金属基板放入纯水中保存，使用前用洁净氮气吹扫干净。和/或，沉积金属氧化物涂层的步骤，包括：在偏压磁控多弧离子镀膜设备的真空室中，通入氩气，通入氧气，打开钛和或铝多弧靶，在金属基板的表面上沉积金属氧化物；优选地，金属氧化物中的金属成分为Ti何Al中的任一种或两种组合；优选地，金属基板的温度为150～500℃；优选地，金属氧化物层的厚度为20～100nm；优选地，氩气流量为100-500sccm,氧气的流量为5-50sccm,真空度为0.1-0.5Pa。优选地，对金属氮化物层上沉积非晶碳膜，并形成非晶碳膜层；和/或，除油包括如下步骤：采用氢氧化钠溶液对金属基板进行第一次除油处理，然后采用酒精对金属基板进行第二次除油处理；和/或，抛光包括如下步骤：采用氧化铝或金刚石抛光膏进行打磨处理；和/或，预处理包括第二预处理；第二预处理包括如下步骤：对第一预处理后的金属基板进行溅射处理；和/或，氮化处理包括如下步骤：控制衬底温度，通入氮气，打开溅射电源，设置电流值为50A-150A，设置-80～-300V的负偏压，对金属基板进行氮化处理；优选地，衬底的温度为150～500℃；优选地，氮气流量为30-100sccm，真空度为0.1-0.5Pa；优选地，氮化处理时间为30s-200s。优选地，溅射处理包括如下步骤：在偏压磁控多弧离子镀膜设备的真空室中，加热金属基板，通入惰性气体，打开溅射电源，设置电流值为50A-150A，设置-600～-1500V的负偏压，对金属基板进行离子溅射；优选地，惰性气体为氩气；惰性气体的压力为0.1-0.5Pa；优选地，所述惰性气体的压力为0.1Pa；优选地，所述惰性气体为氩气；优选地，真空室的真空度为1.5×10-3Pa～3×10-3Pa；金属基板的温度为150～500℃；离子溅射的时间为3～15min；还可以用5％的硫酸或盐酸溶液在80℃下刻蚀金属基板10-60min，刻蚀处理完成后用纯水进行清洗，经过清洗的金属基板放入纯水中保存，使用前用洁净氮气吹扫干净。和/或，对金属氮化物层上沉积非晶碳膜的步骤包括：在偏压磁控多弧离子镀膜设备的真空室中，将真空室的真空度抽至1.5×10-3Pa～3×10-3Pa，通入100-300sccm的氩气、设定偏压在-150～-900V，保持金属基板温度为150～500℃，沉积的时间为0.5～4h；优选地，非晶碳膜层的厚度为50nm～5μm。根据本申请的再一方面，提供了一种双极板，包括极板结构，极板结构为上述的极板结构。根据本申请的再一方面，提供了一种燃料电池，包括双极板，双极板为上述的双极板。本申请提供的极板结构及其制备方法以及具有其的双极板和燃料电池，由于氧的存在，氧化物成膜过程中体积的膨胀，形成致密的涂层，减少针孔的缺陷；能有效提高金属极板耐腐蚀性；由于金属氧化物本身的致密性，导致涂层在纵向方向上有了最小的针孔缺陷存在，对基体材料形成了有效的保护。同时涂层双极板在使用过程中，不可避免的会与氧接触，由于上述金属氧化物氧的不饱和性，涂层材料可以进一步吸收氧，体积发生膨胀，对氢离子形成的腐蚀进行修复处理，延长了双极板的寿命。而对金属氧化物表面进行氮化处理的工序，氧化物涂层在导电性上有了显著的提高，提高了整个涂层的导电性。同时经过氮化处理后，金属氧化-氮化涂层材料的膨胀系数与非晶碳膜比价接近，提高了其与非晶碳膜即导电层的结合力。在薄层氧化层表面形成一层导电性好的氮化物层可以有效的提高涂层的导电性性。金属氮化物层全部为氮化物。在金属氮化物层的表面上沉积非晶碳膜，非晶碳膜廉价、导电、耐腐蚀，且厚度小，还可以将双极板表面接触电阻下降到1mΩ/cm2以下。非晶碳膜导电性性和耐腐蚀性都比较好。对金属基板进行第一预处理，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种极板结构，其特征在于，包括：/n金属基板(1)；/n金属氧化物层(2)，所述金属氧化物层(2)设置于所述金属基板(1)的表面上。/n

【技术特征摘要】
1.一种极板结构，其特征在于，包括：
金属基板(1)；
金属氧化物层(2)，所述金属氧化物层(2)设置于所述金属基板(1)的表面上。


2.根据权利要求1中所述的极板结构，其特征在于，所述极板结构还包括金属氮化物层，所述金属氮化物层(3)设置于所述金属氧化物层(2)上。


3.根据权利要求2中所述的极板结构，其特征在于，所述极板结构还包括非晶碳膜层(4)，所述非晶碳膜层(4)设置于所述金属氮化物层(3)上。


4.根据权利要求3中所述的极板结构，其特征在于，所述非晶碳膜层(4)的厚度为50nm～5μm；
和/或，所述非晶碳膜层(4)中的SP2杂化碳的质量分数为60～90％；
和/或，所述金属氧化物中的金属为Ti和Al中的任一种或两种组合；
和/或，所述金属氧化物为TiO2、TiO、Al2O3、AlO中的任一种或多种组合；
和/或，所述金属氮化物为Ti2N、TiN、Al2N3、AlN任一种或多种组合；
和/或，所述金属氧化物层(2)的厚度为20～100nm；
和/或，所述金属氮化物层(3)的厚度为10～90nm；
和/或，所述金属基板(1)的材质为不锈钢、钛、钛合金、铝、铝合金、镍中任的一种。


5.一种极板结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
对金属基板(1)的表面上沉积金属氧化物，并在所述金属基板(1)的表面形成金属氧化物层(2)。


6.根据权利要求5中所述的极板结构制备方法，其特征在于，所述极板结构制备方法还包括：对所述金属氧化物层(2)进行氮化处理，并形成金属氮化物层(3)；
和/或，对所述金属基板(1)的表面上沉积金属氧化物之前，还包括如下步骤：
对所述金属基板(1)进行预处理；所述预处理包括第一预处理，所述第一预处理依次对金属基板(1)进行除油、抛光、清洗、干燥处理；
和/或，所述沉积金属氧化物涂层的步骤，包括：在偏压磁控多弧离子镀膜设备的真空室中，通入氩气，通入氧气，打开钛和或铝多弧靶，在所述金属基板(1)的表面上沉积金属氧化物；优选地，所述金属氧化物中的金属成分为Ti何Al中的任一种或两种组合；优选地，所述金属基板(1)的温度为150～500℃；优选地，所述金属氧化物层(2)的厚度为20～100nm；优选地，所述氩气流量为...

【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，锋源新创科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33