[发明专利]聚合物电解质膜燃料电池块状金属玻璃双极板及其制法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池电极技术领域。特别涉及聚合物电解质膜燃料电池的 双极板。

背景技术

除了具有能量转化效率高、寿命长、环境友好等特点，聚合物电解质膜燃 料电池因其工作温度低、启动快而作为交通运输和建设分散电站的动力源，是 一种军民通用的可移动电源。然而，高成本、重量和体积等因素在很大程度上 限制了聚合物电解质膜燃料电池的大规模商业化应用。因此，降低成本已经成 为各国政府和研究者的关注热点。

双极板是聚合物电解质膜燃料电池中重要的多功能组件之一，不仅具有分 隔反应气体、集流导电、支撑膜电极和导热作用，还能通过与流场板结合为反 应气体提供通道以便使其分布均匀，并将生成的水排出。石墨具有良好的导电 性和化学稳定性，一直被认为是理想的聚合物电解质膜燃料电池双极板材料。 但其脆性大、强度低难以制备低重量、低体积的燃料电池组。此外，通过机加 工方式在表面各种流场的工艺耗时且费用高，从而导致石墨板的成本约占质子 交换膜燃料电池成本的80％。金属材料因良好的强韧性、导电性和气密性有潜力 代替石墨。金属不仅可以加工成厚度为0.1～0.3mm的薄板，还可以采用机械加 工和冲压的方法加工成各种流场板，更适合于大批量生产，进而大幅度提高聚 合物电解质膜燃料电池的质量比功率和体积比功率。目前采用的金属双极板材 料有铁基合金、镍基合金和铝、钛及其合金等。

在聚合物电解质膜燃料电池运行的过程中，由于质子交换膜的部分降解和 电极的特有制备工艺导致工作环境中含有SO₄^2-、SO₃^2-、CO₃^2-、HSO₄^-和HSO₃^-等离子^[1]。因此，金属双极板不可避免地要发生电化学腐蚀。尽管金属双极板 表面生成的钝化的氧化物层可以抑制金属的进一步腐蚀，同时也引起了难以满 足实际要求的高表面接触电阻^[2-4]。所有这些因素势必会造成一些电能的消耗和 燃料电池组总效率的降低，从而降低电池组的性能和功率输出。为此，通过表 面改性技术来提高其表面导电性和耐蚀性对金属双极板的制备和生产具有重要 的意义，也必将对聚合物电解质膜燃料电池的发展和广泛应用产生深远的影响。 贵金属涂层因其成本高而不适于生产低成本的电池组。采用PVD^[5-10]、CVD^[11-13]和电镀^[14，15]等不同的方法制备的氮化物和氧化物涂层则因其制备工艺的限制而 生成难以避免的微孔和微裂纹等缺陷会因为局部腐蚀而剥落，从而引起聚合物 电解质膜燃料电池的使用寿命降低。到目前为止，还没有一种通过表面处理的 金属双极板得以大规模的市场应用。因此，发展低成本、高表面导电性和良好 耐蚀性的双极板是聚合物电解质膜燃料电池的必然趋势，也必将对聚合物电解 质膜燃料电池的商业化进程产生重要的影响。

参考文献

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