[发明专利]一种用于氢燃料电池金属双极板复合膜层及制备方法

说明书

本发明公开了一种用于氢燃料电池金属双极板复合膜层及制备方法，包括金属双极板基体和沉积在金属双极板基体表面的复合膜层，所述的复合膜层从下至上包括依次沉积的CrNiPd层、CrSiC层和C层。通过将清洗洁净的金属双极板基体放入磁控溅射设备的真空腔室中，依次经抽真空、加热、通入氩气、离子源清洗处理后，首先采用磁控溅射法依次沉积CrNiPd层、CrSiC层，之后采用等离子体喷涂法在CrSiC层表面喷涂石墨C层。所制作的保护膜大大提高了电池双极板的耐腐蚀性能，延长了其使用寿命，而且减小了金属双极板与扩散层之间的接触电阻，有效提高了燃料电池性能。

技术领域

本发明属于电池双极板制造领域，具体涉及一种用于氢燃料电池金属双极板复合膜层及制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可以将氢气和氧气中的化学能,通过电化学反应直接转化为电能的发电装置,由于其工作温度在常温区间，氢气来源广泛，效率高于传统内燃机，且环境又友好，产物只有水，被认为是21世纪最高效清洁发电技术。双极板是PEMFC的最关键部件之一,它占据了电池60％～70％的成本，占燃料电池总重量的70％-80％，同时也是制约电池使用寿命的关键因素。PEMFC的双极板材料主要有三种：石墨材料、复合材料和金属材料。目前，燃料电池双极板所用的材料主要是石墨，其热导性和电导性良好，化学性质稳定，耐腐蚀性能好，但由于石墨材料脆性大，机械性能差，不易于大批量生产。金属材料双极板具有高强度和良好的导电、导热性能，并且原材料便宜，适合大批量加工生产，可有效减小燃料电池的体积和成本，是目前公认的燃料电池产业化首选。然而燃料电池工作环境，双极板要能够耐受pH＝2～3的磺酸、约0.1ppm浓度的氢氟酸以及约80℃的环境条件，金属双极板在燃料电池的强酸、高温工作环境中极易发生腐蚀，污染催化剂，严重降低燃料电池的使用寿命，而且金属双极板在酸性环境中会在表面形成钝化膜，进而增大了双极板和气体扩散层的接触电阻。因此，提高金属双极板的抗腐蚀性能、降低双极板接触电阻是金属双极板发展的主要方向。目前，通过对不锈钢表面进行改性，在不锈钢表面形成导电性好的耐腐蚀薄膜，以解决这一新的技术问题。

用来进行表面沉积薄膜处理的工艺方法很多，有热喷、丝网印刷、溶胶凝胶、电镀、化学镀、溅射镀以及化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)等。不过总体上还是存在一些问题,主要有两个方面:一是薄膜存在微孔、疏松等缺陷以及薄膜附着力差、易脱落；二是薄膜材料以贵金属或稀有金属居多,使生产成本居高不下，如采用Au,Ag,Pt等金属。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种用于氢燃料电池金属双极板复合膜层及制备方法。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于氢燃料电池金属双极板复合膜层，包括金属双极板基体和沉积在金属双极板基体表面的复合膜层，所述的复合膜层从下至上包括依次沉积的CrNiPd层、CrSiC层和C层；所述的CrNiPd层中的晶体结构的化学结构通式为Cr_x1Ni_y1Pd_z1；所述CrSiC层的化学结构通式为Cr_x2Si_y2C_z2。

作为本发明的进一步改进，所述的CrNiPd层中的晶体结构的化学结构通式为Crx1Niy1Pdz1，所述Crx1Niy1Pdz1中x1为0.5-0.7，y1为0.1-0.3，z1为0.1-0.3；所述CrSiC层的化学结构通式为Crx2Siy2Cz2，所述Crx2Siy2Cz2中x2：y2+z2为1:1。

作为本发明的进一步改进，所述CrNiPd层厚度为0.2-0.5μm，所述CrSiC层厚度为0.4-0.8μm，所述C层厚度为0.1-0.3μm。

作为本发明的进一步改进，所述C层为石墨C层。

制备以上所述的一种用于氢燃料电池金属双极板复合膜层的方法，包括以下步骤：