CN111477899A - 一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板及制备方法，该金属双极板包括金属钛基体和导电耐腐蚀渗碳层，金属基体为纯钛，表层是由以TiC为主相的渗碳层构成的导电耐腐蚀层。其制备方法以高纯石墨为碳源，在离子轰击作用下活性炭粒子被溅射出来，吸附到钛基体表面并向内扩散，一次性形成导电耐蚀渗碳层，工艺简单，成本低廉，导电耐蚀效果好。

Description

一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板及制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板及制备方法。
背景技术
双极板是燃料电池的重要组成部分，其工作原理是氢气和氧气分别通入两侧均带有催化剂的质子交换膜的两侧，形成电势差，当外电路被连通时，电极(催化剂)上分别发生得失电子的反应(氧化还原反应)，从而产生可以被利用的电流。
双极板在燃料电池中的作用很多，因此对双极板的性能提出了较高要求：需要高的导电率、小的接触电阻，必须是热的良导体，必须拥有良好的流道设计、良好的阻气性，同时需要很好的耐蚀性和机械性能。目前采用的质子交换膜多为全氟磺酸膜，其分子支链的链端是具有强氧化性的磺酸基团；同时，由于全氟磺酸膜在燃料电池使用过程中存在降解的现象，会释放出氟离子，因此在燃料电池工作环境中，双极板要能够耐受pH＝2～3的磺酸腐蚀。
传统石墨材质的双极板表现出非常优异的耐腐蚀性能和导电性能，但其机械强度差、体积大、缺陷较多等缺点使其难以满足新一代车用燃料电池的要求。相比之下，用金属制造的双极板具有体积薄、机械强度高、气阻率高、加工工艺性好、资源回收率高等优势。但是，一般耐蚀性好的金属是由于表面形成致密氧化膜，而氧化物往往导电性能差，所以，普通金属双极板存在耐腐蚀性与导电性能不可兼得的矛盾。因此，迫切需要一种同时具备耐腐蚀性和导电性能良好的双极板。
发明内容
本发明针对上述技术问题，旨在提供一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板。该金属双极板兼具优异的导电性和强耐腐蚀性，具有接触电阻低、耐腐蚀性好、无膜基结合问题、导热性能好、工艺简单和成本低廉等特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板，所述金属双极板是由金属双极板基体和导电耐腐蚀层组成，所述金属双极板基体的材料为纯钛，厚度为0.1-0.3 mm，所述导电耐腐蚀层是以TiC为主相的渗碳层，厚度为1-10 μm。
进一步地，所述导电耐腐蚀层的组成成分从所述导电耐腐蚀层的表面向所述金属双极板基体方向呈连续梯度变化。
本发明还提供了一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板的制备方法，包括以下步骤：
(1)对所述金属双极板的表面进行预处理，清洗所述金属双极板的表面；
(2)把经过所述步骤(1)预处理后的洁净的所述金属双极板作为工件极，石墨作为源极，放入等离子表面合金化炉的真空腔内，进行抽真空，然后对所述金属双极板的表面进行离子溅射清洗；
(3)开启所述源极和所述工件极的电源，对所述步骤(2)得到的所述金属双极板进行等离子表面合金化，从而在所述金属双极板表面制备渗碳层。
进一步地，在所述步骤(1)中，所述预处理的步骤包括：先用砂纸对所述金属双极板表面进行打磨，然后采用抛光机进行抛光，再采用蒸馏水进行冲洗，接着将所述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，得到清洁的所述金属双极板。
进一步地，在所述步骤(2)中，所述石墨为高纯石墨，纯度≥99.9％。
进一步地，在所述步骤(2)中，所述进行抽真空，具体为将所述真空腔体的内压力抽至不高于1×10-2 Pa为止。
进一步地，在所述步骤(2)中，所述进行离子溅射清洗，具体为采用氩离子溅射清洗5~20 min，所用环境气体为高纯氩气，纯度≥99.99％。
进一步地，在所述步骤(3)中，所述进行等离子表面合金化的工艺参数为：源极电压-500~-900 V，工件级电压-300~-600 V，合金化温度500~800 ℃，合金化时间5~30 min。
本发明的制备方法中，氩离子刻蚀可以去除纯钛基体表面绝大多数的氧化物、吸附物及其他杂质，使纯钛基体完全暴露于真空环境中，有助于提高碳在钛基体中的扩散，快速形成所需渗碳层。同时，溅射出的活性炭粒子在钛表面形成以TiC为主相的渗碳层，与纯钛基体冶金结合，没有膜基结合问题。合金成分沿基体向表面方向呈连续梯度变化，钛原子的数量百分比持续降低，碳原子数量百分比持续升高。并且，所采用的等离子表面合金化技术由于能量密度高、离化率高，所得渗层致密性好、孔隙率低、无结合问题，降低了纯钛基体与酸性介质接触发生腐蚀、接触电阻增大的风险，为提高燃料电池金属双极板使用寿命提供了保障。同时，该制备方法工艺简单稳定、成本低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例制备得到的一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板的结构示意图；
图2为实施例1制备得到的一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板的渗碳层表面电镜图。
具体实施方式
下面通过对各实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1，一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板为具有表面渗层的金属双极板，所述渗层是在金属双极板基体表面形成的以TiC为主相的渗碳层。金属双极板基体的材料优选采用纯钛，其厚度为0.3 mm。渗碳层厚度为10 μm。制备方法包括如下步骤：
(1)金属双极板预处理：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30min，然后烘干，得到清洁的金属双极板。
(2)把经过所述步骤(1)预处理后的洁净的金属双极板放入辉光等离子体的真空腔内，进行抽真空，并抽真空为将真空腔体内压力抽至1×10-2 Pa为止，通入高纯氩气(≥99.99％)，然后采用氩离子对金属双极板表面进行离子溅射清洗20 min。
(3)开启源极和工件极，对在所述步骤(2)得到的作为基板的金属双极板进行等离子表面合金化，从而在金属双极板表面形成以TiC为主的渗碳层；制备渗层的工艺参数为：源极电压 -800 V，工件电压 -300 V，温度800 ℃，保温时间30 min。
(4)关闭源极和工件极，放置一段时间随炉冷却，出炉。
实施例2
参见图1，一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板为具有表面渗层的金属双极板，所述渗层是在金属双极板基体表面形成的以TiC为主相的渗碳层。金属双极板基体的材料优选采用纯钛，其厚度为0.1 mm。渗碳层厚度为1 μm。制备方法包括如下步骤：
(1)金属双极板预处理：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30min，然后烘干，得到清洁的金属双极板。
(2)把经过所述步骤(1)预处理后的洁净的金属双极板放入辉光等离子体的真空腔内，进行抽真空，并抽真空为将真空腔体内压力抽至1×10-2 Pa为止，通入高纯氩气(≥99.99％)，然后采用氩离子对金属双极板表面进行离子溅射清洗20 min。
(3)开启源极和工件极，对在所述步骤(2)得到的作为基板的金属双极板进行等离子表面合金化，从而在金属双极板表面形成以TiC为主的渗碳层；制备渗层的工艺参数为：源极电压 -600 V，工件电压 -300 V，温度600 ℃，保温时间30 min。
(4)关闭源极和工件极，放置一段时间随炉冷却，出炉。
对比例1
一种所述氢燃料电池金属双极板的制备方法，所述金属双极板的材料为纯钛，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，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30 min，然后烘干，得到清洁的金属双极板；
(2)把经过所述步骤(1)预处理后的洁净的金属双极板放入辉光等离子体的真空腔内，进行抽真空，并抽真空为将真空腔体内压力抽至1×10-2 Pa为止，然后采用氩离子对金属双极板表面进行离子溅射清洗20 min，得到作为基板的金属双极板。
(3)关闭电源，取出对在所述步骤(2)中金属双极板。
对实施例1-2、及对比例1制备的金属双极板进行接触电阻测试，测试结果如表1所示：
表1
Figure 461285DEST_PATH_IMAGE002
经过本发明专利制备的钛制金属双极板接触电阻降低了20倍左右，将极大降低燃料电池的电阻损耗。
最后需要说明的是，以上优选实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动即可对本发明在形式和细节上做出各种各样的改变。总之，凡本技术领域的技术人员对本发明在形式和细节上做出各种改变，皆应在权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板，其特征在于，所述金属双极板是由金属双极板基体和导电耐腐蚀层组成，所述金属双极板基体的材料为纯钛，厚度为0.1-0.3 mm，所述导电耐腐蚀层是以TiC为主相的渗碳层，厚度为1-10 μm。
2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板，其特征在于，所述导电耐腐蚀层的组成成分从所述导电耐腐蚀层的表面向所述金属双极板基体方向呈连续梯度变化。
3.一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对所述金属双极板的表面进行预处理，清洗所述金属双极板的表面；
(2)把经过所述步骤(1)预处理后的洁净的所述金属双极板作为工件极，石墨作为源极，放入等离子表面合金化炉的真空腔内，进行抽真空，然后对所述金属双极板的表面进行离子溅射清洗；
(3)开启所述源极和所述工件极的电源，对所述步骤(2)得到的所述金属双极板进行等离子表面合金化，从而在所述金属双极板表面制备渗碳层。
4.根据权利要求3所述的用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述预处理的步骤包括：先用砂纸对所述金属双极板表面进行打磨，然后采用抛光机进行抛光，再采用蒸馏水进行冲洗，接着将所述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，得到清洁的所述金属双极板。
5.根据权利要求3所述的用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述石墨为高纯石墨，纯度≥99.9％。
6.根据权利要求3所述的用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述进行抽真空，具体为将所述真空腔体的内压力抽至不高于1×10-2 Pa为止。
7.根据权利要求3所述的用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述进行离子溅射清洗，具体为采用氩离子溅射清洗5~20 min，所用环境气体为高纯氩气，纯度≥99.99％。
8.根据权利要求3所述的用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板的制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，所述进行等离子表面合金化的工艺参数为：源极电压-500~-900 V，工件级电压-300~-600 V，合金化温度500~800 ℃，合金化时间5~30 min。
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