專利名稱：一種質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板。
背景技術(shù)：
作為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的主要部件，雙極板占電池重量的70%以上， 占電池總成本接近一半。理想的雙極板應(yīng)當具有很高的導電性、耐腐蝕性、低密度、高機械 強度、高阻氣能力、低成本易加工。 金屬強度高，耐腐蝕性能好，是理想的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)雙極板材料。 但金屬雙極板有以下不足1、耐腐蝕金屬表面能自然形成鈍化膜，該鈍化膜電阻很大，用作 質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板會增加電池的內(nèi)部電阻，從而減少電池能量的輸出；2、在質(zhì)子 交換膜燃料電池環(huán)境下，金屬會發(fā)生腐蝕產(chǎn)生金屬離子，進而對質(zhì)子交換膜產(chǎn)生污染，降低 電池性能和壽命?，F(xiàn)有技術(shù)中，用不銹鋼作質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，通常都對不銹鋼 表面進行改性處理，以提高不銹鋼雙極板的電性能。相關(guān)專利提出了在金屬表面涂敷導電 耐蝕涂層和用金屬夾雜物從鈍化膜下的不銹鋼內(nèi)突出到鈍化膜外面的的方法，如專利號為 02155187的專利"質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板"，提出了在基體金屬表面涂敷導電耐 蝕涂層的方法，涂層為導電耐蝕的金屬氧化物，涂層厚度O. 1-50 iim。專利號為00105765.0 的專利"固體高分子型燃料電池用不銹鋼雙極板"，提出了用具有導電性的碳化物系金屬 夾雜物及硼化物系金屬夾雜物中的一種，使以上金屬夾雜物從鈍化膜下的不銹鋼內(nèi)突出到 鈍化膜外面的不銹鋼制作雙極板的技術(shù)。該專利方法制備的雙極板的材料表面具有一定面 積的鈍化物膜，而且碳化物或硼化物的導電性也難以保障，因此該材料的導電性很難滿足 質(zhì)子交換膜燃料電池對雙極板越來越高的要求。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板，通過對金屬表面 進行改性處理，使雙極板的耐腐蝕性能和導電能力得到提高。并可實現(xiàn)低成本大批量生產(chǎn)。 本實用新型的技術(shù)方案是一種質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板，雙極板是帶有凸起和凹槽 形成的氣體或冷卻液通道的金屬雙極板，其特征在于所述帶有凸起和凹槽形成的氣體或冷 卻液通道的金屬雙極板的凹槽的表面有耐腐蝕保護層，凸起的頂面有改善導電性和抗腐蝕 性的表面改性層。 本實用新型所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板，其特征在于所述帶有凸起 和凹槽形成的氣體或冷卻液通道的雙極板是不銹鋼雙極板、鈦雙極板、鈦合金雙極板和鋁 合金雙極板中的任意一種。 本實用新型所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板，其特征在于所述帶有凸起 和凹槽形成的氣體或冷卻液通道的金屬雙極板中的不銹鋼雙極板的凹槽的表面耐腐蝕保 護層是鈍化層，鈦雙極板和鈦合金雙極板的凹槽的表面耐腐蝕保護層是高溫氧化層，鋁合
3金雙極板的凹槽的表面耐腐蝕保護層是陽極氧化層。 本實用新型所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板，其特征在于所述帶有凸起 和凹槽形成的氣體或冷卻液通道的金屬雙極板的凸起的頂面的改善導電性和抗腐蝕性的 表面改性層是銀和金貴金屬鍍層中的一種或者是鉻、鈦和鋯過渡金屬的導電化合物鍍層中 的一種。 本實用新型的質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板可以用下述方法制備 a)在基體金屬薄板上沖壓出帶有凸起和凹陷形成的氣體或冷卻液通道的雙極
板； b)將沖壓有氣體或冷卻液通道的金屬雙極板進行鈍化或氧化或陽極氧化處理，在 金屬雙級板表面形成耐腐蝕保護層； c)將經(jīng)過步驟b)處理的金屬雙極板表面涂敷一層保護膜； d)打磨掉經(jīng)過步驟c)涂敷了一層保護膜的金屬雙級板凸起頂面涂敷的保護膜和 保護膜下通過鈍化或氧化或陽極氧化處理形成的保護層，露出金屬基體； e)對經(jīng)過步驟d)處理的金屬雙級板凸起頂面露出的金屬基體進行表面改性處 理，在凸起頂面得到改善導電性和抗腐蝕性的表面改性層； f)除去金屬板凹陷處涂敷的保護膜，保留通過鈍化或氧化或陽極氧化處理形成的 耐腐蝕保護層。 本實用新型具有如下優(yōu)點 1.本實用新型的雙極板表面改性層結(jié)合力好，致密、耐腐蝕性強、導電性強，從而 提高了金屬雙極板在PEMFC環(huán)境下的性能；獲得的高性能PEMFC雙極板，可大大提高雙極板 在PEMFC中的性能和壽命。 2.本實用新型雙極板的表面改性層，不銹鋼是在酸中進行鈍化處理，鈦和鈦合金 是進行氧化處理，鋁合金是進行陽極氧化處理等，處理過程非常經(jīng)濟，工藝成熟，可以有效 降低雙極板的制備成本。 3.只在雙極板平臺進行導電耐蝕改性，可以節(jié)約大量的貴重改性材料，降低雙極 板成本。
本實用新型有附圖1幅，是本實用新型的雙極板的構(gòu)造示意圖。 附圖中，1、凸起頂面改善導電性的表面改性層，2、凹槽表面耐腐蝕保護層，3、金屬基體。
具體實施方式實施例1 將厚度為0. lmm的316L不銹鋼板沖壓出反應(yīng)氣流道及氫氣、空氣和冷卻水的進 出、口通道，氣體流道凸起和凹陷的寬度都是1. 5mm，深度2. 0mm。去污粉清洗雙極板表面油 污后干燥。 采用天長市華錦防腐清洗材料廠的200系列鈍化液進行鈍化處理將雙極板浸漬 于體積比50X的不銹鋼鈍化液水溶液中，2(TC下浸泡60s，取出后用去離子水清洗；再放入質(zhì)量比3%的氫氧化鈉溶液中浸漬5分鐘，取出后用去離子水清洗，大氣中自然晾干。 使用黑色電鍍保護漆涂敷整個雙極板帶有流道的區(qū)域，然后于烘箱內(nèi)6(TC下加熱 30min，取出，冷卻至室溫。使用2000#砂紙將雙極板氣體流道凸起處的電鍍保護漆和鈍化 層打磨掉，使該處露出不銹鋼基體，然后進行鍍銀處理。鍍銀溶液為KAg(CN)2，55g/L ;KCN， 135g/L ;K2C03， 10g/L。電鍍?nèi)芤簻囟?0°C，陰極電流密度1. 0A/dm2。 雙極板氣體流道凸起處鍍銀后，去離子水清洗掉表面殘留電鍍?nèi)芤?，再使用香?水清洗掉氣體流道凹陷處的電鍍保護漆，露出該處的鈍化膜，即得到高性能雙極板材料。 實施例2 將厚度為0. 2mm的TC4板(Ti_6Al_4V)沖壓出反應(yīng)氣流道及氫氣、空氣和冷卻水 的進出、口通道，氣體流道凸起和凹陷的寬度都是2. Omm，深度2. 5mm。使用去污粉清洗雙極 板表面油污，去離子水清洗，干燥。 將沖壓有流場溝槽的鈦雙極板在馬福爐中，空氣環(huán)境下于60(TC加熱60min，使其 表面氧化。使用黑色電鍍保護漆涂敷整個雙極板帶有流道的區(qū)域，然后于烘箱內(nèi)6(TC下加 熱30min，取出，冷卻至室溫。使用2000#砂紙將雙極板氣體流道凸起處的電鍍保護漆和鈍 化層打磨掉，使該處露出鈦合金的基體，然后進行鍍金處理。鍍金溶液為Au(以KAu(CNh 形式加入)，6g/L ;K2HP04， 30g/L ;KCN， 30g/L ;K2C03， 12g/L。電鍍?nèi)芤簻囟?0°C ，陰極電流密 度0. 5A/dm2。 雙極板氣體流道凸起處鍍金后，去離子水清洗掉表面殘留電鍍?nèi)芤?，再使用三?br>
乙烯清洗掉氣體流道凹陷處的電鍍保護漆，露出該處的鈍化膜，即得到高性能雙極板材料。 實施例3 將厚度為0. 3mm的LY12鋁合金板沖壓出反應(yīng)氣流道及氫氣、空氣和冷卻水的進 出、口通道，氣體流道凸起和凹陷的寬度都是2. 5mm，深度3. Omm。在質(zhì)量比20%的70°C NaOH 溶液中浸漬30s，除去鋁合金表面氧化膜；再于2(TC溫度下用體積比20%的HN03溶液清洗 10s，除去表層浮灰。然后在體積比30%的硫酸溶液中進行陽極氧化，溫度10°C，電流密度 1. 5A/dm2，時間為30min ;再在氧化膜上涂敷雙酚A型環(huán)氧樹脂，在22(TC加熱6小時使樹脂 固化。 使用黑色電鍍保護漆涂敷整個雙極板帶有流道的區(qū)域，然后于烘箱內(nèi)6(TC下加熱 30min，取出，冷卻至室溫。使用2000#砂紙將雙極板氣體流道凸起處的電鍍保護漆和鈍化 層打磨掉，使該處露出鋁合金基體，然后進行氮化鈦處理。將雙極板置于真空室并密封后， 用機械泵抽真空至2Pa，然后用分子泵抽真空至3X 10—3Pa。通入Ar氣和N2氣的混合氣體， 其壓力分別為0. 5Pa和0. 02Pa。在40°C ， 40W功率，0. 25KV電壓，0. 20A電流下Ti靶進行反 應(yīng)磁控濺射，時間為30min。 將雙極板取出，用去離子水清洗掉表面殘留電鍍?nèi)芤?，再使用香蕉水清洗掉氣體 流道凹陷處的電鍍保護漆，露出該處的鈍化膜，即得到高性能雙極板材料。
權(quán)利要求一種質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板，雙極板是帶有凸起和凹槽形成的氣體或冷卻液通道的金屬雙極板，其特征在于所述帶有凸起和凹槽形成的氣體或冷卻液通道的金屬雙極板的凹槽的表面有耐腐蝕保護層，凸起的頂面有改善導電性和抗腐蝕性的表面改性層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板，其特征在于所述帶有凸 起和凹槽形成的氣體或冷卻液通道的金屬雙極板是不銹鋼雙極板、鈦雙極板、鈦合金雙極 板和鋁合金雙極板中的任意一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板，其特征在于所述帶有凸 起和凹槽形成的氣體或冷卻液通道的金屬雙極板中的不銹鋼雙極板的凹槽的表面耐腐蝕 保護層是鈍化層，鈦雙極板和鈦合金雙極板的凹槽的表面耐腐蝕保護層是高溫氧化層，鋁 合金雙極板的凹槽的表面耐腐蝕保護層是陽極氧化層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板，其特征在于所述帶有凸 起和凹槽形成的氣體或冷卻液通道的金屬雙極板的凸起的頂面的改善導電性和抗腐蝕性 的表面改性層是銀和金貴金屬鍍層中的一種或者是鉻、鈦和鋯過渡金屬的導電化合物鍍層 中的一種。
專利摘要一種質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板，雙極板是帶有凸起和凹槽形成的氣體或冷卻液通道的金屬雙極板，帶有凸起和凹槽形成的氣體或冷卻液通道的金屬雙極板的凹槽的表面有耐腐蝕保護層，凸起的頂面有改善導電性和抗腐蝕性的表面改性層。本實用新型的優(yōu)點是表面改性層結(jié)合力好，致密、耐腐蝕性強、導電性強，可大大提高雙極板在PEMFC中的性能和壽命；表面改性層處理過程非常經(jīng)濟，工藝成熟，可以有效降低雙極板的制備成本；只在雙極板平臺進行導電耐蝕改性，可以節(jié)約大量的貴重改性材料，降低雙極板成本。
文檔編號H01M8/10GK201444487SQ20092001641
公開日2010年4月28日 申請日期2009年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月17日
發(fā)明者付宇, 侯中軍, 呂萍, 徐洪峰, 明平文 申請人:新源動力股份有限公