[发明专利]一种提高质子交换膜燃料电池极板用钛及钛合金表面性能的低成本表面处理方法

说明书

一种提高质子交换膜燃料电池极板用钛及钛合金表面性能的低成本表面处理方法，它涉及质子交换膜燃料电池领域，本发明的目的是为了解决目前质子交换膜燃料电池双极板用钛或钛合金表面镀层制备工艺复杂、流程长、成本高的问题。本发明是采用物理气相沉积技术与热处理相结合的方法，首先采用物理气相沉积设备在钛或钛合金基体表面沉积出厚度10～800nm的单层碳层，从而制备出表面带有单层碳层的纯钛或钛合金基材，然后对基材进行热处理，最终在钛或钛合金表面制备出由碳层和碳化钛界面层构成的复合镀层。该方法工艺简单、流程短、成本低，可以显著提高极板的耐蚀性、导电性和界面结合力，具有重要的商业价值和广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种提高质子交换膜燃料电池极板用钛及钛合金表面性能的低成本表面处理方法。

背景技术

为了解决煤炭、石油等化石能源使用带来的能源消耗和大气污染问题，绿色环保、可再生的氢能经济在全球兴起。在氢能经济中，质子交换膜燃料电池汽车(FCV)是实现低碳交通的关键。质子交换膜燃料电池可直接将氢能转化为电能，可实现汽车尾气零排放的目的。

双极板作为质子交换膜燃料电池的核心部件，约占电池总成本的30％，体积的70％左右，起到支撑膜电极、隔绝反应气体和导流的作用。双极板在质子交换膜燃料电池服役条件下，需要具备良好的导电性及耐蚀性，而降低双极板成本、提高极板性能是使其商业化的关键步骤。

目前，主流的车用质子交换膜燃料电池金属双极板材料是带有表面镀层的316L不锈钢极板或带有表面镀层的钛极板材料。不锈钢在质子交换膜燃料电池的酸性环境下耐蚀性较差、寿命较短，必须通过在不锈钢表面进行镀层处理，以达到改善耐蚀性和导电性进而提高使用寿命的目的。与不锈钢相比，钛或钛合金密度低，在酸溶液条件下具有良好的耐蚀性，因此，采用纯钛或钛合金作为质子交换膜燃料电池极板材料，不仅可以减小电池体积及重量，而且还能提高电池寿命，是一种更理想的适用于电动车用燃料电池的金属双极板材料。然而，以纯钛或钛合金作为极板使用，其导电性和耐蚀性仍然达不到车用燃料电池的寿命要求，特别是钛表面容易生成氧化膜，严重影响导电性，在其表面进行镀层处理可显著提高其导电性和耐蚀性能，进而实现电池寿命超过10000h的车用电堆寿命需求。总体来看，无论是不锈钢还是钛或钛合金作为双极板材料，在质子交换膜燃料电池的酸性环境下，均需要进行表面处理。