[发明专利]一种石墨烯增强表面的燃料电池用高性能双极板及其制备方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，一种石墨烯增强表面的燃料电池用高性能双极板及其制备方法。采用钛双极板作基体，使用磁控溅射设备和方法，在自溅射清洗后的钛双极板基体表面上依次沉积镍层或镍铬层、第一金层、第一石墨烯层、第二金层和第二石墨烯层。可制备出微孔缺陷少、厚度均匀的镍层或镍铬层、第一金层和第二金层；使用镍层或镍铬层提高了第一金层与钛双极板基体之间的结合力，解决了在钛双极板使用过程中既要降低总体接触电阻又要耐腐蚀的难题；使用金层可隔离镍层或镍铬层、钛双极板基体与阴极周围的氧气，避免镍层或镍铬层、钛双极板基体的氧化；石墨烯层使金层表面具有高疏水性，且制备石墨烯过程中析出的碳粒子具有很好的堵塞微孔作用。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及增强表面的燃料电池双极板及其制备方法。

背景技术

燃料电池的种类较多，其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效、清洁的绿色环保电源，具有能量转化效率高、工作温度低、启动快、比功率高、寿命长等优点，可广泛用于电动汽车、分布式发电站和可携带电源等。

双极板是质子交换膜燃料电池中的主要部件，约占质子交换膜燃料电池总重量的70％和质子交换膜燃料电池总成本的50％以上。双极板的作用是分隔反应气体、收集并传导电流、支撑膜电极和承担整个燃料电池系统的散热和排水功能等。为了满足这些功能，双极板应当具有高导电性、高机械强度、高导热性、耐腐蚀性、低密度、高阻气能力和易机械加工等特性。

在诸多双极板基体材料中，金属是理想的基体材料之一。与石墨双极板等相比，金属双极板兼具高导电性、高导热性、高阻气能力和易机械加工等优点，而且金属储量丰富，更易于机加工成薄板以降低质子交换膜燃料电池组的成本和体积。但是，金属双极板在质子交换膜燃料电池的酸性高温环境中容易发生腐蚀或溶解，一方面双极板的导电性能由于表面腐蚀而下降，另一方面溶解后产生的一些金属离子还会扩散到质子交换膜，造成质子交换膜的“毒化”，这都降低了电池的输出功率，并最终导致双极板功能失效。因而金属双极板目前急需解决的主要问题是如何选择适宜的双极板基体材料，并对其进行表面改性处理，以提高金属双极板的耐腐蚀能力等。

与不锈钢、铝等金属双极板基体材料相比，钛兼具低密度、高机械强度和耐腐蚀的优点。在钛双极板基体上镀制贵金属(比如Au、Ag)可兼顾金属双极板的耐腐蚀性和导电性。目前在钛双极板基体表面上镀金是较成熟且被试验验证的处理方法，可使钛双极板具有足够的使用寿命。如发明专利[CN 2008 8 0119358.9]提供可在钛双极板基体表面上通过电镀形成金层，来提高燃料电池双极板的耐腐蚀性。

但是，在钛双极板基体表面上通过电镀制备金层，这样的电镀方法会造成金层与钛双极板基体之间的结合力较小，容易导致钛双极板在使用过程中出现金层剥离和崩落的现象。

另一方面，由于在钛双极板基体表面制备的电镀金层一般存在诸多微孔缺陷，如果这些微孔不被堵塞，将使阴极分布的氧通过微孔扩散直达钛双极板基体，使钛双极板基体氧化，最终导致总体接触电阻变大，降低了燃料电池的输出电压。并且钛双极板的接触电阻变大引起的燃料电池温度升高也会影响燃料电池中催化剂的活性。此外，电镀金层的微孔缺陷还会导致钛双极板基体发生其作为阳极的电化学腐蚀，使金层过早失效。情况严重时，钛双极板基体在阴极氧化、电化学腐蚀等多种机制作用下，最终会导致其表面电镀金层的剥离与崩落。

除此以外，一般金层表面的疏水性不高，由此而造成钛双极板流场末端的堵塞也是致使钛双极板组装电堆运行性能迅速下降的主要原因之一。

故，目前钛双极板基体表面镀金结构的燃料电池双极板所面临的主要问题在是：如何提高金层与钛双极板基体的结合力，防止金层剥离与崩落；如何在保证金层厚度较薄的前提下，堵塞其微孔缺陷；如何对金层进行表面改性，提高燃料电池双极板表面的疏水特性，以大大提高燃料电池双极板的抗腐蚀能力和耐久能力。

发明内容