[发明专利]用于质子交换膜燃料电池双极板的高sp2杂化致密碳镀层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的镀层及方法，具体是一种用于质子交换膜燃料电池双极板的高sp2(含量为80％-90％)杂化致密碳镀层及其制备方法。

背景技术

随着全球环境污染的日益严重、石化能源日趋枯竭，寻找一种能够代替传统能源的新能源成为世界各国面临的首要紧迫问题。燃料电池因其具有高效、节能、安全、环保等优点而备受各国政府和研究机构的重视。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/碳或铂-钌/碳为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，工作温度一般在60～100℃的将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。随着PEMFC在汽车等交通工具中的应用，它作为新一代能源技术，会逐渐渗透到社会各行各业乃至普通家庭。但PEMFC过高的成本限制其大规模的推广应用。双极板作为PEMFC关键部件之一，不仅占据电堆重量的70％-80％，而且在电堆的生产成本中也占据相当大的比例。因此，寻求一种低成本、能够大批量生产，生产工艺较简单的材料与工艺，对于PEMFC燃料电池的进一步商业化应用推广具有非常重要的意义。

双极板在燃料电池中的作用在于作阳极和阴极的集流器，同时在阳极表面均匀地分配燃料气体，在阴极表面均匀分配氧气/空气。它还必需有冷却流体通过电堆的通道并保证冷流体和反应物气体分离。因此，双极板材料要具有良好的耐腐蚀性，导电性，疏水性，隔气性，机械性能和低制造成本等特点。石墨材料由于具有优秀的电化学性能和导电性能而被用于燃料电池双极板。但是加工石墨双极板流道的成本高，且机械性能不好，通常石墨双极板要几个毫米厚度，这些缺点十分不利于降低燃料电池的成本和应用。而金属材料由于其较好的机械性能，气密性，低成本和容易加工等优点正在逐步取代石墨双极板。但是由于金属双极板的电化学不稳定性和表面氧化层的存在，其耐腐蚀和导电性不能够满足燃料电池的使用要求。因此，PEMFC金属双极板通常需要进行表面改性或镀膜来提高耐腐蚀和表面导电性能。镀金板和镍板由于其优异的耐腐蚀性能和低的表面接触电阻而被用于质子交换膜燃料电池的金属双极板，但是其缺点是成本过高，商业化生产有很大困难。

在不锈钢表面沉积耐腐蚀性好，导电性好的碳膜能够结合金属材料和碳材料的优点，是一种非常有应用前景的方法。但是，由于碳和金属材料较大的物理性能差异，沉积的碳膜往往结合性能不好，容易脱层。因此，镀碳膜需要预先在金属材料表面沉积一层过渡层以增强结合力。经对现有技术的文献检索发现，(Y.Fu et al.)在《International Journal of Hydrogen Energy》(国际氢能)(2009年34期405-409页)上发表的(“Carbon-based films coated 316L stainless steel as bipolar plate for proton exchange membrane fuel cells”)(镀碳基薄膜的316L不锈钢用作质子交换膜燃料电池双极板)中用脉冲偏压弧离子镀的方法制备了碳基薄膜，指出C-Cr薄膜(即用Cr作掺杂金属)的镀层具有良好的导电性和耐腐蚀性。该研究与本发明的主要区别为该专利沉积碳膜无需添加金属元素，制备的碳膜为纯碳元素镀层。G.V.达希奇等在发明专利(申请号：200910164680.X)中指出在双极板表面沉积一层具有亲水性，有过渡催化层和金属掺杂的无定形碳涂层，该涂层包括亲水的活化表面。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于质子交换膜燃料电池双极板的高sp2杂化致密碳镀层及其制备方法，制备得到具有接触角大于90度疏水性的碳膜镀层以利于排水和降低腐蚀概率；无需金属掺杂原子；无需表面活化处理；微观结构主要是非晶态且具有高sp2键合的碳结构。本发明能够在金属表面实现直接沉积且结合力好，导电性好，疏水性好且耐腐蚀的碳膜，能够显著降低双极板成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于质子交换膜燃料电池双极板的高sp2杂化致密碳镀层，其碳膜直接沉积在双极板表面且孔隙率小于等于5个孔/mm²；

所述的碳膜的厚度为5nm-5000nm，并具有高sp2键杂化，同时含有大量无序键的结构；

所述的碳膜在典型燃料电池压力条件下，与碳纸接触电阻小于20毫欧·cm²的导电性；

所述的碳膜表面具有高于70°的接触角。

本发明涉及上述高sp2杂化致密碳镀层的制备方法，包括以下步骤：