[发明专利]一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板及其制备方法

说明书

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碳粒子被溅射出来，吸附到钛基体表面并向内扩散，一次性形成结合性能好的导电耐蚀渗碳层，不易剥落，工艺简单，成本低廉，导电耐蚀效果好。

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其制备方法。

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0.1～0.3mm，所述导电耐腐蚀层是以TiC为主相的渗碳层，厚度为1～10μm。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， TiC为主相。

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)对金属双极板基体的表面进行预处理，清洗金属双极板基体的表面；

(2)把经过所述步骤(1)预处理后的洁净的金属双极板基体作为工件极，高纯石墨作为源极，放入等离子表面合金化炉的真空腔内，进行抽真空，然后对金属双极板基体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)得到的金属双极板基体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：先用砂纸对金属双极板基体表面进行打磨，然后采用抛光机进行抛光，再采用蒸馏水进行冲洗，接着将金属双极板基体分别浸入乙醇和丙酮溶液中进行超声清洗，然后烘干，得到清洁的金属双极板基体。

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内的压力抽至不高于1×10^-2Pa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5～20min，所用环境气体为高纯氩气，纯度≥99.99％。