一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長壽命雙極板及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長壽命雙極板及其制備方法，屬于燃料電池及材料表面改性技術領域。雙極板由鈦薄板雙極板基材、鈦鉬鎳納米晶過渡層和表面鈦鉬鎳碳薄膜構成。本發明專利技術的過渡層及表面復合薄膜因采用新型電弧離子鍍方法制備，因此在基體與過渡層間、過渡層與表面薄膜間的連接是材料在界面處的多元互擴散準焊接冶金連接，改性層薄膜中缺陷少致密度高，其中表層復合薄膜具有比銀還好的導電性和高的疏水性，過渡層具有在電池環境下長期耐點蝕的能力，因此用該方法制備的雙極板具有很高的綜合性能，可滿足電池電堆高功率下長時壽命運行要求。

Fuel cell long-life double polar plate with surface titanium molybdenum nickel carbon film and preparation method thereof

The invention relates to a fuel cell long-life double polar plate with a surface titanium molybdenum nickel carbon film and a preparation method thereof, belonging to the technical field of surface modification of fuel cells and materials. The bipolar plate is composed of a titanium plate, a bipolar plate substrate, a titanium molybdenum nickel nanocrystalline transition layer, and a surface titanium molybdenum nickel carbon film. The invention of the surface transition layer and composite film for plating prepared by arc ion model, so in the connection matrix and transition layer, transition layer and the surface film is between multiple materials at the interface diffusion of quasi welding metallurgy connection, modified layer defects in less high density, the surface of composite films with better than silver conductive and high hydrophobicity, transition layer has the ability in the cell environment long-term corrosion, so the preparation method of bipolar plate preparation has a high overall performance, can meet the battery under high power requirements for long life.

【技術實現步驟摘要】
一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長壽命雙極板及其制備方法
本專利技術涉及一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長壽命雙極板及其制備方法，屬于燃料電池和金屬材料表面改性

技術介紹
燃料電池能將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能，其轉化效率高、環境友好、可靠性強，被認為是當今首選的高效的可持續發電技術。在各類燃料電池中，質子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)具有啟動快、壽命長、比功率高等優點，除適用于地面發電站以外，還特別適合用于可移動動力源和各種便攜電源，是新能源汽車的理想電源之一。雙極板是質子交換膜燃料電池的主要部件，占電池重量的70％以上，在電池總成本中也占接近一半，其作用是分隔反應氣體、收集電流、將各個單電池串聯起來并通過流場為反應氣進出電極及水的排出提供通道等。金屬是理想的質子交換膜燃料電池的雙極板材料，但是其主要問題是在電池環境下易發生腐蝕，包括化學腐蝕和電化學腐蝕，其后果不僅是使雙極板功能失效，而且還會造成質子交換膜的“毒化”。對金屬雙極板應用現代表面工程技術進行表面改性處理是解決問題的有效手段。因此，在燃料電池的產業化進程中，針對金屬雙極板表面改性的研究開發一直是重點公關技術之一，近年來已在表面改性材料和制備工藝上取得了突破性進展。如ZL200810086374.4等技術，用PVD電弧離子鍍方法在不銹鋼雙極板表面沉積碳鉻等納米復合薄膜，使改性后雙極板的原始性能中導電性能接近貴金屬銀，耐蝕性能比不銹鋼基體提高2個數量級以上，疏水性能水接觸角大于110°，達到了用廉價表面改性材料替代貴金屬來制備雙極板以大幅度降低成本的目的。但在近期持續研究發現，經上述技術表面改性處理的雙極板在實際裝堆累計運行數千小時后，電堆會出現綜合性能迅速衰減，輸出功率陡降的現象。經系統的分析研究發現，其原因在于雙極板表面的改性薄膜不可避免地存在針孔，在長期運行過程中腐蝕介質會逐漸穿過針孔而進入薄膜內部直接接觸不銹鋼基體表面，從而造成潰瘍式腐蝕，如此在導致接觸電阻大幅度增加的同時，也會使改性薄膜浮起并崩落，最終使燃料電池電堆過早失效。因此，目前關于燃料電池雙極板所要亟待解決的問題，是如何保障雙極板在實際電堆環境中滿足超長時限運行的問題，如此必須解決的問題有二，一是如何提高表面改性薄膜的致密度以降低針孔數量的問題，二是如何提高薄膜下雙極板基體上表面的耐針孔點蝕性能以保證雙極板長時維持高水平綜合性能的問題。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種低成本的、高質量的、長壽命的質子交換膜燃料電池用雙極板及其表面改性薄膜的制備方法，采用本專利技術的結構和方法制備的雙極板，同時具有高指標的耐蝕、導電和疏水等綜合性能，并且保障這些初始性能指標在10000小時的長時服役后下降幅度不大于5％，滿足在質子交換膜燃料電池中的長壽命運行要求。本專利技術的技術構思是，在金屬雙極板基體與表面改性薄膜之間再增加一層在燃料電池環境下耐點蝕的特殊的防護層，防護層材料依據配位場耐蝕合金設計理論并進行實驗驗證來確定，最外表面改性材料采用新型碳基納米復合薄膜，為了增強界面相容性，碳基納米復合材料的組元成分在保障性能的前提下依據成分友好原則來確定。其中尤為關鍵的是，該中間防護層和表面改性材料應用附帶有大面積氣體離子源和熱絲等離子體增強放電的電弧離子鍍方法來制備，其中應用熱絲可發射大量電子以促進等離子體的離化率，會大大提高膜/基界面的“縫合”能力；應用大面積氣體離子源，可對各層之間的界面進行離子刻蝕清洗，會大大消除針孔缺陷數量并提高薄膜整體致密程度。在大量的理論和實驗研究結果基礎上，為了達到其目的，本專利技術所采用的本專利技術的技術方案：一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長壽命雙極板，包括金屬薄板雙極板基材1、中間耐點蝕過渡層2和表面鈦鉬鎳碳薄膜3；其中金屬薄板雙極板基材1的厚度為0.1mm～0.5mm；中間耐點蝕過渡層2的材質為鈦鉬鎳納米晶合金層，其中鉬的質量百分含量為0.2％～35.0％、鎳的質量百分含量為0.0％～1.2％，其余含量為鈦，鈦鉬鎳納米晶合金層的厚度為0.3μm～3.0μm，與金屬薄板雙極板基材1間采用在界面處的多元互擴散準焊接冶金連接方式；表面鈦鉬鎳碳薄膜3的材質為碳非晶鈦鉬鎳納米晶復合薄膜，其中碳非晶的原子百分含量為60％～100％，其余為鈦鉬鎳納米晶，在鈦鉬鎳納米晶中鈦和鉬、鎳三者的相對成分含量與中間耐點蝕過渡層2的相同，表面鈦鉬鎳碳薄膜3的厚度為0.1μm～1μm，與中間耐點蝕過渡層2間采用在界面處的多元互擴散準焊接冶金連接。所述的金屬薄板雙極板基材1的材質為TA1工業純鈦薄板雙極板或316L不銹鋼薄板雙極板。一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長壽命雙極板的制備方法，采用有熱絲增強放電并輔以氣體離子源增強濺射刻蝕的電弧離子鍍方法在金屬薄板雙極板基材1表面依次沉積中間耐點蝕過渡層2及表面鈦鉬鎳碳薄膜3，具體步驟如下：(1)將電弧離子鍍設備真空室一側安裝在真空環境中能發射大量熱電子的熱絲裝置，另一側再安裝使惰性氣體能獲得電激發離化的氣體離子源裝置，在真空室內壁均布有管狀加熱器裝置；在均勻分布的多個陰極靶位上分別相間隔安裝碳靶和鈦鉬鎳合金靶，其中鉬的質量百分含量為0.2％～34.5％，鎳的質量百分含量為0.0％～1.2％，其余為鈦；(2)將金屬薄板雙極板基材1經超聲清洗并烘干處理后，安放于電弧離子鍍真空室的工件卡具上，關閉艙門后由真空系統將真空室真空抽到5×10-3Pa以上，啟動加熱裝置使金屬薄板雙極板基材1加熱到200℃～350℃，之后充入氬氣，氬氣分壓為0.4Pa～1.0Pa，加偏壓為500V～1000V，引發輝光等離子體，再啟動熱絲裝置進行等離子體放電增強，通入熱絲的電流為3A～30A，熱絲兩端的電壓為10V～50V，熱絲偏壓電源的偏壓為10V～50V，進行金屬薄板雙極板基材1表面等離子體增強的濺射清洗，時間為5min～30min；到時后停止熱絲裝置工作，降低氬氣分壓為0.1Pa～0.4Pa，啟動氣體離子源裝置，調整離子束電流為1A～3A，進行金屬薄板雙極板基材1表面離子濺射刻蝕和活化處理，時間為5min～20min；(3)到時后停止離子源裝置工作，調整氬氣分壓為0.5Pa～2Pa，降低偏壓為50V～200V，啟動鈦鉬鎳合金靶電弧獲得金屬等離子體，鈦鉬鎳合金靶電弧電流調整為40A～120A，進行中間耐點蝕過渡層2的沉積制備，時間為30min～180min；(4)到時后停止鈦鉬鎳合金靶電弧，再降低氬氣分壓為0.1Pa～0.4Pa，啟動氣體離子源裝置，調整離子束電流為1A～3A，提高偏壓為500V～1000V，進行中間耐點蝕過渡層2表面的離子濺射缺陷去除處理，時間為5min～20min；(5)到時后停止離子源裝置工作，調整氬氣分壓為0.5Pa～2Pa，降低偏壓為50V～200V，啟動碳靶電弧，碳靶電弧電流為60A～100A，再啟動鈦鉬鎳合金靶電弧，鈦鉬鎳合金靶電弧電流調整為0A～120A，進行表面鈦鉬鎳碳薄膜3即碳非晶鈦鉬鎳納米晶復合薄膜的沉積制備，時間為10min～90min；到時后進行停止合金靶和碳靶電弧工作、卸偏壓、停止供氣、停止加熱，經充分爐冷后即可取出已經表面改性處理好的金屬本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長壽命雙極板，其特征在于，該燃料電池長壽命雙極板及其表面鈦鉬鎳碳薄膜包括金屬薄板雙極板基材(1)、中間耐點蝕過渡層(2)和表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)；其中金屬薄板雙極板基材(1)的厚度為0.1mm～0.5mm；中間耐點蝕過渡層(2)的材質為鈦鉬鎳納米晶合金層，其中鉬的質量百分含量為0.2％～35.0％、鎳的質量百分含量為0.0％～1.2％，其余含量為鈦，鈦鉬鎳納米晶合金層的厚度為0.3μm～3.0μm；表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)的材質為碳非晶鈦鉬鎳納米晶復合薄膜，其中碳非晶的原子百分含量為60％～100％，其余為鈦鉬鎳納米晶，在鈦鉬鎳納米晶中鈦和鉬、鎳三者的相對成分含量與中間耐點蝕過渡層(2)的相同，表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)的厚度為0.1μm～1μm。

【技術特征摘要】
1.一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長壽命雙極板，其特征在于，該燃料電池長壽命雙極板及其表面鈦鉬鎳碳薄膜包括金屬薄板雙極板基材(1)、中間耐點蝕過渡層(2)和表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)；其中金屬薄板雙極板基材(1)的厚度為0.1mm～0.5mm；中間耐點蝕過渡層(2)的材質為鈦鉬鎳納米晶合金層，其中鉬的質量百分含量為0.2％～35.0％、鎳的質量百分含量為0.0％～1.2％，其余含量為鈦，鈦鉬鎳納米晶合金層的厚度為0.3μm～3.0μm；表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)的材質為碳非晶鈦鉬鎳納米晶復合薄膜，其中碳非晶的原子百分含量為60％～100％，其余為鈦鉬鎳納米晶，在鈦鉬鎳納米晶中鈦和鉬、鎳三者的相對成分含量與中間耐點蝕過渡層(2)的相同，表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)的厚度為0.1μm～1μm。2.根據權利要求1所述的帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長壽命雙極板，其特征在于，所述的金屬薄板雙極板基材(1)的材質為TA1工業純鈦薄板雙極板或316L不銹鋼薄板雙極板。3.一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長壽命雙極板的制備方法，采用有熱絲增強放電并輔以氣體離子源增強濺射刻蝕的電弧離子鍍方法在金屬薄板雙極板基材(1)表面依次沉積中間耐點蝕過渡層(2)及表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)，其特征在于，具體步驟如下：(1)將電弧離子鍍設備真空室一側安裝在真空環境中能發射大量熱電子的熱絲裝置，另一側再安裝使惰性氣體能獲得電激發離化的氣體離子源裝置，在真空室內壁均布有管狀加熱器裝置；在均勻分布的多個陰極靶位上分別相間隔安裝碳靶和鈦鉬鎳合金靶，其中鉬的質量百分含量為0.2％～34.5％，鎳的質量百分含量為0.0％～1.2％，其余為鈦；(2)將金屬薄板雙極板基材(1)經超聲清洗并烘干處理后，安放于電弧離子鍍真空室的工件卡具上，關閉艙門后由...

【專利技術屬性】
技術研發人員：林國強，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：遼寧,21