质子交换膜燃料电池不锈钢双极板及制备方法技术

本发明专利技术是对质子交换膜燃料电池不锈钢双极板及制备方法的改进，其特征是采用离子注入在不锈钢双极板表面形成ＣｒｘＮ镀层，其中Ｘ为０．０６－１０。所得双极板具有较低接触电阻和较高的耐蚀性，在１５０Ｎ／ｃｍ２压力条件下，接触电阻仅为２０－３０ｍΩｃｍ２；模拟ＰＥＭＦＣ腐蚀环境下，腐蚀电流２－３μＡ／ｃｍ２，较纯金属镀层，氮化物镀层具有较高的耐蚀性，与电弧离子镀镍、氮化铬等性能相近。离注入Ｃｒ、Ｎ离子，对设备要求低，工艺简单，改性成本低，镀层组成和深度易控制，可精确控制表层ＣｒｘＮ类型，很适合于双极板商业化生产。注入温度只需１００℃～２５０℃，不仅所需能耗小，而且不经高温热处理，对不锈钢板冲压形成的流道尺寸影响小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是对的改进，特别涉及一种简单、低成本改性，且性能能够达到贵金属改性的改性方法。
技术介绍
双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)关键部件之一，成本占燃料电池总成本的 46%以上，是造成质子交换膜燃料电池价格高昂的重要原因之一，并且质量优劣直接决定 燃料电池堆输出功率大小和使用寿命长短。 不锈钢具有高导热性、易加工成型，价格低等特点，并可提高燃料电池输出功率， 改善燃料电池热管理，降低燃料电池电堆成本，是一种极具前途的质子交换膜燃料电池双 极板基材。但不锈钢不仅自身电阻较高，而且表面钝化膜及腐蚀产物产生附加电阻，使得与 气体扩散层接触时具有较大的接触电阻，会导致燃料电池内阻增加，直接影响电池输出功 率和使用寿命。其次，不锈钢在电池环境下耐蚀性较差，腐蚀产物会毒化质子交换膜，降低 电池性能和寿命。而使用金、银等贵金属可以提高导电性和耐腐蚀性，但成本较高，不利于 商业化生产。为此人们采取对已成型的不锈钢双极板进行表面处理，以克服上述不足。例 如 中国专利CN101393990质子交换膜燃料电池双极板，采用离子注入法将镍、铬和铜中的两种元素的任意组合或者全部三种元素注入不锈钢薄板中形成改性层。 中国专利CN101393991质子交换膜燃料电池不锈钢双极板表面改性方法，采用离子注入的方法将铜离子注入不锈钢薄板中形成改性层。 中国专利CN101246964质子交换膜燃料电池不锈钢双极板，采用离子注入方法将 镍离子注入不锈钢薄板中形成改性层。 上述采用离子注入形成镀膜改性层，一定程度上降低了与扩散层的接触电阻，提高了耐蚀性，但性能与镀银等贵金属相比仍然存在一定的差距，例如在150N/cm2压力下，接触电阻仍然有40-60mQ ci^，模拟PEMFC腐蚀环境下腐蚀电流在6_7 y A/cm2。 中国专利CN101092688质子交换膜燃料电池不锈钢双极板，通过离子镀膜在其表面溅射沉积铬镍、氮化铬或掺杂金属铬的类金刚石改性镀膜。 中国专利CN101192670带有表面涂层的燃料电池金属双极板，通过采用离子束表 面改性技术，在金属基体表面形成一层氮化铬薄膜涂层。 中国专利CN101257119燃料电池用双极板，不锈钢双极板基材两侧表面有，用电 弧离子镀膜制备厚度0. 1 ii m-5 ii m氮镍铬薄膜。 中国专利CN101257117燃料电池用双极板，不锈钢双极板基材两侧表面有，用电 弧离子镀膜制备厚度0. 1 ii m-5 ii m氮铬薄膜。 上述采用电弧离子镀方法获得的镀膜，80N/cn^压力下，与扩散层的接触电阻在 20mQ cm2左右，模拟PEMFC腐蚀条件下腐蚀电流为6_10 y A/cm2，与镀银等贵金属改性双极 板性能拉近。但离子镀膜对设备要求较高，需采用专用电弧离子镀设备，工序工艺多且复杂，所需能量高，改性成本大，并且注入离子浓度和深度难以精确控制，不利于大批量生产。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种改性成本低，注入离子浓度 和镀膜深度可控，性能与传统镀贵金属性能接近的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板。 本专利技术另一 目的在于提供一种上述不锈钢双极板制备方法。 本专利技术第一目的实现，主要改进是通过在成型不锈钢双极板表面利用离子注入方 法施加CrxN改性层，使双极板与气体扩散层的接触电阻，以及双极板在电池环境中的耐腐 蚀性能，与传统镀贵金属的性能接近，但改性成本大大降低，可以工业化生产，从而实现本 专利技术目的。具体说，本专利技术本专利技术质子交换膜燃料电池不锈钢双极板，包括成型不锈钢薄基 板，和表面改性镀层，其特征在于改性镀层为离子注入形成的CrxN镀层，其中X为0. 06-10。 CrxN镀层，其中Cr、N元素组成，Cr与N的原子比O. 06 : 1-10 : l，更好的原子 比l : 1-10 : l，最好主要为X二 2，Cr2N镀层接触电阻最小、耐腐蚀性能最好。 本专利技术双极板所用不锈钢，与通常作双极板用不锈钢相仿，可以为奥氏体、马氏 体、铁素体不锈钢。 本专利技术质子交换膜燃料电池不锈钢金属双极板制备方法，其特征在于通过离子 注入法在成型不锈钢双极板表面施加CrxN改性层，其中Cr离子注入能量为200KeV 250KeV，束流强度为1. 5 ii Acm—2 2. 0 ii Acm—2，注入量2 X 1016Ions/cm2 3 X 1017Ions/cm2 ; N离子注入能量为40KeV 65KeV，束流强度为20 y Acm—2 25 y Acm—2，注入量3 X 1016Ions/ cm2 3 X 1017Ions/cm2 ;离子注真空度为1 X 10—3pa 1 X 10—2pa。试验表明本专利技术方法，离子注入较好在温度为10(TC 25(TC中进行，注入时间较好为0. 5h 3h，这样得到的改性层，厚度均匀结合力较好，表现出更好的性能。 对于不同基体材料，可以通过试验调整注入能量例如电压，可以实现不同注入深度。 离子注入用Cr、N离子源，与现有离子注入法所需对应离子源要求相同。 本专利技术中所述区间范围，是试验评估较佳区间范围，并非数学意义上精确极端值，少量适当偏离也不是不可以，只是效果会有微小变化。 本专利技术质子交换膜燃料电池不锈钢双极板，相对于现有技术，由于在不锈钢表面 通过离子注入施加有CrxN镀层，具有较低接触电阻和较高的耐蚀性，制备的双极板与气体 扩散层接触电阻小，与离子注入镍、铬、铜元素或其两种或三种组合改性双极板相比，接触 电阻在150N/cm2压力条件下，由40-60m Q cm2降至20_30m Q cm2 ;模拟PEMFC腐蚀环境下，腐 蚀电流由6-7 ii A/cm2降至2-3 y A/cm2，耐腐蚀性能得到较大提高，较纯金属镀层，氮化物镀 层具有较高的耐蚀性。与电弧离子镀镍、氮化铬等性能相近，但离注入Cr、N离子，对设备要 求低，工艺简单，改性成本低，镀层组成和深度易控制，可精确控制表层CrxN类型，很适合 于双极板商业化生产(电弧离子镀设备成本高，工序复杂，改性成本较高，镀层组成和深度 不易控制，难以批量化应用)。特别是同时注入Cr、N离子，具有更好的改性性能。注入温 度只需10(TC 25(TC，不仅所需能耗小，而且不经高温热处理，对不锈钢板冲压形成的流 道尺寸影响小。 以下结合三个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本专利技术，但实施例具体细节仅是为了说明本专利技术，并不代表本专利技术构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发 明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离本专利技术构思的非实质性增加和/或改 动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本专利技术保护范围。附图说明 图1为不同压力下本专利技术双极板、不锈钢与碳纸的接触电阻比较。 图2为常温下在0. 5mol/L H2S04+0. 5X 10—6HF溶液中试片跟不锈钢的极化曲线比较。具体实施方式 实施例1 : 双极板基体材料为奥氏体不锈钢，其化学成分为C《0. 03， Si《1. OO，Mn《2. 00， P《0. 035， S《0. 03， Ni :12. 0-15. 0， Cr :16. 0-18. 0， Mo :2. 0-3. O，其余含量为Fe ; 将本文档来自技高网...

【技术保护点】
质子交换膜燃料电池不锈钢双极板，包括成型不锈钢薄基板，和表面改性镀层，其特征在于改性镀层为离子注入形成的ＣｒｘＮ镀层，其中Ｘ为０．０６－１０。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘常福，张振忠，赵芳霞，孙佰文，姚振虎，
申请(专利权)人：江苏新源动力有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]