專利名稱：輕金屬表面改性燃料電池雙極板的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬基燃料電池雙極板的制備方法。
背景技術(shù)：
質(zhì)子膜燃料電池具有清潔、高效、可移動(dòng)、操作條件溫和等特點(diǎn)，在交通運(yùn)輸、航空航天及電子通訊等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。雙極板是將單電池串聯(lián)起來的極板材料，需要滿足多方面的性能要求。即良好的導(dǎo)電性、優(yōu)良的耐腐蝕性(包括酸性腐蝕、氧化潮濕腐蝕、電極電位腐蝕)、良好的氣密性、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、較低的密度及相對(duì)低廉的成本。
目前使用的雙極板材料為石墨，這主要基于石墨良好的導(dǎo)電性及耐腐蝕性、抗氧化性等。但由于石墨機(jī)械性能較差、流道機(jī)加工困難、需用復(fù)雜的工藝措施解決介質(zhì)滲透等問題，因此石墨雙極板的加工價(jià)格很高，占燃料電池成本的40-60％，成為燃料電池研發(fā)中急待解決的問題。
利用金屬材料制備雙極板的主要出發(fā)點(diǎn)在于金屬材料具有良好的塑性，流場(chǎng)可直接沖壓成型，因此也有望大幅度降低加工成本，同時(shí)金屬可軋制成0.1-0.2mm的片材，有望獲得高比功率，最大限度壓縮體積。另外金屬材料導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，氣密性好，機(jī)械強(qiáng)度高。但金屬材料最致命的弱點(diǎn)是耐腐蝕性差，如何提高金屬材料的耐腐蝕性是首先需要解決的問題。
不同的金屬材質(zhì)，解決耐腐蝕性的方法不同。研究最多的是鐵基合金，這主要是因?yàn)殍F價(jià)格低廉。但鐵的表面接觸電阻大，同時(shí)鐵離子對(duì)電池液的污染導(dǎo)致電池性能與壽命下降。因而對(duì)鐵基金屬板進(jìn)行表面處理是其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。多位研究者研究鐵基表面沉積TiN的結(jié)果并不理想，發(fā)現(xiàn)TiN涂層易從基體表面脫落，在燃料電池中的壽命很短，這主要是TiN與鐵基結(jié)合不良，同時(shí)TiN膜中存在針孔所致。美國Oak Ridge國家實(shí)驗(yàn)室研究了(Ni-50Cr)合金1100℃滲氮，在表面形成CrN與Cr2N梯度膜，消除了針孔影響，耐腐蝕性顯著提高，燃料電池中運(yùn)行1000小時(shí)沒有產(chǎn)生污染。但由于基材價(jià)格貴，不具備商業(yè)價(jià)值。隨后他們改用高Ni、Cr含量的不銹鋼進(jìn)行滲氮處理，雖然不銹鋼表面也形成了Cr2N，但膜不連續(xù)，難以滿足燃料電池耐腐蝕的要求。臺(tái)灣Yuan Ze大學(xué)利用PVD在Al表面沉積了TiN、TiCN等多層膜，接觸電阻顯著降低，耐腐蝕性也得到有效提高。但電池運(yùn)行實(shí)驗(yàn)表明，僅能運(yùn)行200小時(shí)。英國Hodgson在鈦表面制備了FC5涂層，接觸電阻接近10mΩ.cm2，電池運(yùn)行壽命達(dá)8000小時(shí)。但FC5涂層技術(shù)卻極為保密，目前沒有任何資料可查。目前為止所嘗試的各種方法中都還沒有獲得商業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種兼具良好耐腐蝕性與導(dǎo)電性的輕金屬表面改性燃料電池雙極板的制備方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是輕金屬表面改性燃料電池雙極板的制備方法，其特征在于它包括如下步驟1)以0.15-0.6mm的鈦板為基體，剪裁成指定尺寸；2)放入模具中，采用沖壓或模壓技術(shù)，制備出流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；3)將具有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的鈦板放入超聲清洗機(jī)中進(jìn)行清洗，去除表面雜質(zhì)；3)利用滲氮技術(shù)對(duì)清洗后具有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的鈦板表面進(jìn)行改性處理，獲得輕金屬表面改性燃料電池雙極板。
所述的利用滲氮技術(shù)對(duì)清洗后具有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的鈦板表面進(jìn)行改性處理為平均升溫速率3～5℃/min，離子氮化溫度650-850℃，保溫時(shí)間30-60分鐘，氮?dú)鈮毫?0-150Pa，氣體流量80-120mL/min，電壓0.5-0.7KV，電流10-50A。
雖然針對(duì)鈦合金零部件的離子滲氮工藝已比較成熟，但對(duì)0.1～0.6mm鈦板的離子滲氮卻未見報(bào)道。因?yàn)樗璧腡iN滲層控制極為關(guān)鍵，如果滲層過深，鈦板整體變脆，滲層過淺，雖然鈦板柔韌性較好，但如果滲層存在針眼或達(dá)不到一定厚度，耐腐蝕性又無法滿足要求，因此存在最佳滲層，其控制工藝與傳統(tǒng)滲氮不同。傳統(tǒng)滲氮升溫速率較快，本滲氮工藝分段控制，升溫速率較慢，但保溫時(shí)間較短。
本發(fā)明選擇0.1-0.6mm的鈦板為基體金屬，通過壓力成型獲得設(shè)計(jì)的流場(chǎng)，通過滲氮技術(shù)在鈦板表面形成梯度過渡的致密TiN膜，既保證耐腐蝕性，又滿足導(dǎo)電性的要求。鈦基滲氮的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于(1)膜與基體梯度結(jié)合，膜不易脫落；(2)膜表面無針孔、致密，與Ni-50Cr滲氮的效果類似，有效耐腐蝕。
本發(fā)明的有益效果是工藝簡(jiǎn)單，可以批量獲得表面處理的鈦板，滲層致密，不易脫落；滲氮處理后的雙極板不僅具有優(yōu)異的耐腐蝕性，而且具有良好的力學(xué)性能和導(dǎo)電性；獲得的輕金屬表面改性燃料電池雙極板兼具良好耐腐蝕性與導(dǎo)電性。


圖1是本發(fā)明的制備工藝流程2是本發(fā)明實(shí)施例2的斷面微觀分析圖具體實(shí)施方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
實(shí)施例1如圖1所示，取0.15mm厚的鈦板，剪裁為100×200的片材，采用常規(guī)沖壓或模壓技術(shù)，制備出流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，放入超聲清洗機(jī)中清洗3分鐘；隨后放入離子氮化爐中進(jìn)行滲氮處理，采用純氮?dú)?，升溫速?℃/min，氮?dú)鈮毫?50Pa，氣體流量120mL/min，電壓0.5KV，電流30A，在750℃，保溫40分鐘。氮化處理后的片材進(jìn)行性能測(cè)試，抗壓強(qiáng)度36MPa，接觸電阻18mΩ.cm2，腐蝕電流密度11μA/cm2。
實(shí)施例2取0.3mm厚的鈦板，剪裁為120×200的片材，采用常規(guī)沖壓或模壓技術(shù)，制備出流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，放入超聲清洗機(jī)中清洗3分鐘；隨后放入氮化爐中進(jìn)行滲氮處理，采用純氮?dú)?，升溫速?℃/min，氮?dú)鈮毫?00Pa，氣體流量120mL/min，電壓0.5KV，電流35A，在800℃保溫60分鐘。氮化處理后的片材進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析與性能測(cè)試，表面形成了TiN、Ti2N梯度過渡層，TiN層厚3.8μm(見圖2)?？箟簭?qiáng)度53MPa，接觸電阻16mΩ.cm2，腐蝕電流密度10μA/cm2。
實(shí)施例3取0.6mm厚的鈦板，剪裁為100×200的片材，采用常規(guī)沖壓或模壓技術(shù)，制備出流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，放入超聲清洗機(jī)中清洗3分鐘；隨后放入離子氮化爐中進(jìn)行滲氮處理，采用純氮?dú)猓郎厮俾?℃/min，氮?dú)鈮毫?50Pa，氣體流量110mL/min，電壓0.6KV，電流40A，在650℃，保溫60分鐘；獲得輕金屬表面改性燃料電池雙極板。
本發(fā)明的滲氮處理的工藝參數(shù)的上下限取值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.輕金屬表面改性燃料電池雙極板的制備方法，其特征在于它包括如下步驟1)以0.15-0.60mm的鈦板為基體，剪裁成指定尺寸；2)放入模具中，采用沖壓或模壓技術(shù)，制備出流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；3)將具有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的鈦板放入超聲清洗機(jī)中進(jìn)行清洗，去除表面雜質(zhì)；3)利用滲氮技術(shù)對(duì)清洗后具有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的鈦板表面進(jìn)行改性處理，獲得輕金屬表面改性燃料電池雙極板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕金屬表面改性燃料電池雙極板的制備方法，其特征在于所述的利用滲氮技術(shù)對(duì)清洗后具有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的鈦板表面進(jìn)行改性處理為平均升溫速率3～5℃/min，離子氮化溫度650-850℃，保溫時(shí)間30-60分鐘，氮?dú)鈮毫?0-150Pa，氣體流量80-120mL/min，電壓0.5-0.7KV，電流10-50A。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬基燃料電池雙極板的制備方法。輕金屬表面改性燃料電池雙極板的制備方法，其特征在于它包括如下步驟1)以0.15－0.60mm的鈦板為基體，剪裁成指定尺寸；2)放入模具中，采用沖壓或模壓技術(shù)，制備出流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；3)將具有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的鈦板放入超聲清洗機(jī)中進(jìn)行清洗，去除表面雜質(zhì)；3)利用滲氮技術(shù)對(duì)清洗后具有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的鈦板表面進(jìn)行改性處理，獲得輕金屬表面改性燃料電池雙極板。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡(jiǎn)單，適宜大規(guī)模生產(chǎn)；膜質(zhì)量高，與基體結(jié)合牢固。獲得的輕金屬表面改性燃料電池雙極板兼具良好耐腐蝕性與導(dǎo)電性。
文檔編號(hào)B23P23/04GK101055927SQ20071005130
公開日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2007年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月18日
發(fā)明者張東明, 潘牧, 袁潤(rùn)章, 劉晶, 陳勇國, 沈春暉 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué), 武漢理工新能源有限公司