[发明专利]一种不锈钢双极板及其制备方法

说明书

本发明涉及一种不锈钢双极板及其制备方法，所述不锈钢双极板包括不锈钢基板和依次沉积的Cr膜、CrN膜和TiCN膜；所述Cr膜的厚度为0.4‑0.6μm；所述CrN膜的厚度为0.8‑1.1μm，以原子百分含量计包括：Cr 65‑75％，N 25‑35％；所述TiCN膜的厚度为1.8‑2.2μm，以原子百分含量计包括：Ti 45‑55％，N 30‑40％，C 10‑20％。本发明提供的不锈钢双极板通过采用纳米涂层结构，各膜层间具有良好的结合力，其具有良好的耐腐蚀性能，工作功率密度也显著提升，达到了镀金电极的性能，显著降低了电极的成本。采用9片双极板组成的电堆，相比TiN极片的功率密度提升20％及以上。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种不锈钢双极板及其制备方法。

背景技术

目前燃料电池的瓶颈是成本高，使用中存在的局限性体现在工作温度的兼容性、对环境毒性的敏感性以及启停循环的耐久性。根据燃料电池电解质的不同，分为五大类，聚合物电解质膜燃料电池因采用聚合物膜电解质，可低温下工作(80℃)，并且具有较高的功率密度，所以在应用上更有吸引力。

而双极板作为聚合物电解质膜燃料电池的重要组成部分，占电堆重量的70％以上，体积的50％左右，其成本为电池成本的30-50％左右。目前双极板材料主要分为3类，分别为石墨双极板、复合材料双极板和金属双极板。

石墨双极板主要以国内为主，重量轻、耐腐蚀性好、导电导热性能优异，但脆性大，价格高，流场加工成本高；复合材料双极板国内研发阶段，成本高，导电性差，但耐腐蚀性好。如CN110204669A公开了用于制备石墨双极板的液体树脂及其制备得到的石墨双极板。所述用于制备石墨双极板的液体树脂的制备方法，包括步骤：将醛类物质、烷基酚、苯酚投入反应釜，搅拌均匀后投入碱性催化剂，升温进行反应；再加入醇类物质，升温度继续搅拌反应；最后加入三聚氰胺、硅油、硅脂、聚乙烯醇物质，搅拌反应完全后，停止加热，室温出料，即可得到用于粘剂石墨的树脂粘结剂。采用的液体树脂能更好的与石墨粉末混合，提高石墨双极板的导电性，致密性更好。

而金属双极板在国外产业化成熟，而国内处于研发阶段，可塑行强，但主要缺点是强酸高湿情况下易腐蚀。如CN109560305A公开了一种金属双极板，包括：阳极底片(1)、阴极底片(2)；所述阳极底片(1)与所述阴极底片(2)之间设有密封垫(3)；所述阴极底片(2)与所述密封垫(3)相邻的一面设有冷却水流道板(4)，所述阴极底片(2)的另一面设有阴极流道板(5)；所述阳极底片(1)与所述密封垫(3)相背的一面设有阳极流道板(14)。该金属双极板，与现有技术中整体式冲压成型的双极板不同，底片与流道板分体装配，不需采用昂贵的冲压模具设备，避免了冲压成型中材料内应力集中，工件开裂等隐患，生产成本低，工艺流程简单，具有很高的实用价值。

不锈钢作为金属双极板的一种，具有成本低、强度高及易加工的特点，但酸性湿热环境下易腐蚀，表面形成钝化膜，导致电池内阻增加，恒定电压条件下，电堆工作电流过低，导致电池功率密度下降。如CN110699647A公开了一种燃料电池不锈钢双极板改性方法，包括如下步骤：前处理：将不锈钢双极板通过有机试剂去除表面油污，再通过电抛光对双极板表面进行抛光处理；第一次镀膜：将处理后的双极板放置入真空室内进行抽真空，待真空室内气体压强低于1.0×10^-3Pa，再向真空室内通过高纯度Ar气，通过脉冲偏压电弧离子镀对双极板进行镀膜，改性层采用金属基材；第二次镀膜：将第一次镀膜完成的双极板浸入化学镀槽内的复合镀溶液，最终得到镀层无起皮，均匀致密。本发明先通过电弧离子镀先在不锈钢双极板上镀上一层CrAlN镀层，提高了双极板外层的抗氧化性与耐腐蚀性能，再在CrAlN镀层上通过化学镀的方式镀上一层镍镀层，镍镀层耐磨性能好，硬度高也有一定的耐腐蚀性能。

而使用钛作为双极板材料，成本较高。虽然钛的氧化膜无论在阴极还是阳极环境下均能保持性能稳定，几乎不产生腐蚀。但阳极环境下由于气氛中存在氧气，钛表面会产生新的氧化钛膜，该氧化钛膜虽然可以增强钛的耐蚀性，但其导电性差，导致其表面接触电阻变大，且电阻会随着氧化钛膜厚度增加而增大，而电流在此会以热量形式耗散，从而降低了电堆的功率。