质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层及其制备方法，自金属极板基材表面由内向外依次包括复合金属层和覆盖于复合金属层表面的纳米导电层，复合金属层的厚度为5~3000 nm，自内向外依次包括金属耐蚀层、金属自愈层和金属催化层；纳米导电层的厚度为5~500 nm，选自碳基材料石墨、非晶碳、石墨烯、碳纤维、碳化物中的一种或多种。对金属基材进行等离子体清洗后，先在金属基材表面沉积金属耐蚀层，再在金属耐蚀层表面交替多层沉积金属自愈层和金属催化层，得到的复合金属层表面沉积纳米导电层。本发明专利技术的金属复合涂层能够削弱电池服役过程中对金属极板基材的腐蚀作用，延长质子交换膜燃料电池的耐久服役寿命。质子交换膜燃料电池的耐久服役寿命。质子交换膜燃料电池的耐久服役寿命。

【技术实现步骤摘要】
质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，具体涉及质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池（PEMFC）以氢气为燃料进行发电，并且产物为水无污染，对环境十分友好，其应用范围已经包括汽车、无人机、固定电站等，而在质子交换膜燃料电池电堆的诸多零部件当中，双极板发挥着至关重要的作用，其主要承担着气体分配、热量传导、电量传输以及一定的结构支撑作用，金属极板也依靠着优良的导电性能、导热性能和抗震性能成为双极板加工的主流材料，其腐蚀性能决定着整个燃料电池电堆的耐久寿命，而燃料电池运行环境中的温/湿度、酸度、阴/阳离子、电位等复杂的工况条件对金属极板的表面改性提出更大挑战。
[0003]目前最为常用的金属极板表面改性方法是在其表面沉积一层或者多层导电耐蚀涂层，例如专利申请CN110137525A公开一种金属双极板导电耐腐蚀涂层，包括由钛碳氮三种元素组成的复合过渡层以及类石墨表层组成的复合材料；专利申请CN113737142A公开一种复合梯度碳基涂层，从下到上依次包括金属单质打底层，金属氮化物过渡层和纯碳工作层。但是这种单一金属的耐蚀过渡层无法做到完全致密无缺陷来阻挡腐蚀溶液对金属极板基材的侵蚀，尤其是在金属极板预涂层工艺中，涂覆有导电耐蚀涂层的基片经过冲压成形后由于涂层本身韧性不足而发生严重开裂，这些裂纹则成为腐蚀溶液的通道，加剧对金属极板的腐蚀。因此，这类涂层对金属极板的保护程度有限，同时随着燃料电池运行时间的延长，环境中的阴离子（如氯离子、氟离子）以及阳离子（如铁离子）浓度会迅速上升，对金属极板表面进行刻蚀，与此同时腐蚀溶液中还会产生大量自由基破坏金属极板，燃料电池性能迅速衰减，降低耐久寿命。因此，设计一种能够长时间抑制燃料电池腐蚀溶液侵蚀金属极板基材的改性涂层对提升燃料电池耐久寿命具有重要意义。

技术实现思路

[0004]基于此，本专利技术的主要目的是提供一种质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层，解决质子交换膜燃料电池长期运行过程中环境里的腐蚀因子侵蚀金属极板基材造成电池性能迅速衰减，影响其耐久寿命的问题。
[0005]本专利技术的另一目的是提供上述质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层的制备方法。
[0006]本专利技术的上述目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术提供一种质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层，金属极板基材表面自内向外依次包括覆盖于所述金属极板基材表面的复合金属层和覆盖于所述复合金属层表面的纳米导电层；其中所述复合金属层的厚度为5~3000 nm，自内向外依次包括金属耐蚀层、金属自愈层和金属催化层；所述纳米导电层的厚度为5~500 nm，选自碳基材料石墨、非
晶碳、石墨烯、碳纤维、碳化物中的一种或多种。
[0007]作为优选，所述复合金属层的厚度为100~1000 nm，所述纳米导电层的厚度为20~200 nm，涂层过薄无法发挥很好的防护效果，涂层过厚会导致制备效率下降和制备成本增加。
[0008]作为优选，所述金属自愈层和所述金属催化层为多层交替结构覆盖于所述金属耐蚀层表面，所述多层交替结构的单层厚度为1~500 nm。
[0009]作为更优选，所述金属自愈层和所述金属催化层形成的多层交替结构单层厚度为10~100 nm，且所述复合金属层的表层设置为所述金属催化层。
[0010]作为优选，所述金属耐蚀层的厚度为5~1000 nm，其中金属元素选自过渡金属元素钛、钽、铌、锆、铬中的一种或多种，以金属单质或合金形式存在。
[0011]作为更优选，所述金属耐蚀层的厚度为50~200 nm。
[0012]作为优选，所述金属自愈层中的金属元素选自金、银、铂、铜、锡中的一种或多种，以金属单质或合金形式存在。
[0013]作为优选，所述金属自愈层中的金属元素以金属单质或合金形式存在，包括选自金、银、铂、铜、锡中的一种或多种的主体金属元素，和选自金、银、铂、铜、锡中的一种或多种的掺杂金属元素，所述主体金属元素占所述金属自愈层内金属总原子比为50%~90%。
[0014]作为优选，所述金属催化层中的金属元素以金属单质或合金和金属氧化物形式存在，包括选自稀土元素镧、铈、镨、铷或具有催化作用的金属中的一种或多种的主体金属元素，和选自金、银、铂、铜、锡中的一种或多种的掺杂金属元素；所述主体金属元素占所述金属催化层内金属总原子比为10%~50%，其中以金属氧化物形式存在的金属原子含量比大于5%，所述掺杂金属元素以金属单质形式存在，在燃料电池环境中金属以金属氧化物形式存在结构更加稳定，且催化分解性能更优。
[0015]上述质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层中，所述金属耐蚀层不仅具有致密的涂层结构，在燃料电池的高温高湿酸性环境里具有较好的耐蚀性能，同时和金属基材具有很强的结合性能，保证涂层在服役过程中不会发生涂层剥离脱落现象；所述金属自愈层具有极佳的延展性能和流动性能，在涂层制备或者服役过程中产生孔洞、裂纹时，能够很好地对这些缺陷进行填充修复，避免腐蚀溶液通过这些缺陷直接与金属极板基材接触；所述金属催化层对于腐蚀环境中的腐蚀因子具有一定的催化分解作用，能够有效抑制长时间腐蚀过程中腐蚀因子浓度的增加，避免燃料电池金属基材的加速腐蚀。所述纳米导电层选自碳基材料石墨、非晶碳、石墨烯、碳纤维、碳化物中的一种或多种，具有极佳导电性能，能够保证涂层服役过程中表面电阻的稳定性。
[0016]作为优选，所述质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层的制备方法，包括以下步骤：（1）对金属基材进行等离子体清洗；（2）在清洗后的金属基材表面沉积所述金属耐蚀层；（3）在所述金属耐蚀层表面交替多层沉积所述金属自愈层和所述金属催化层，得到所述复合金属层；（4）在所述复合金属层表面沉积纳米导电层。
[0017]作为优选，步骤（1）中，所述等离子体清洗的方法选自离子源清洗、自偏压清洗、射
频清洗或平板放电清洗中的一种。
[0018]作为优选，步骤（2）和步骤（3）中，所述复合金属层中金属单质沉积方法选自电镀、离子镀、等离子体喷涂、物理气相沉积、磁控溅射中的一种，金属氧化物沉积方法选自反应磁控溅射、等离子体喷涂或沉积金属单质后的等离子体氧化、光催化氧化、热氧化中的一种。
[0019]作为优选，步骤（4）中，所述纳米导电层的沉积方法选自离子镀、物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射中的一种。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术采用多元金属复合涂层的形式，将金属耐蚀层、金属自愈层以及金属催化层通过多层结构叠加组合在一起，金属耐蚀层通过致密结构改善金属极板基材的耐蚀性，金属自愈层通过填充修复功能阻止燃料电池环境中的腐蚀溶液渗透进入金属极板基材，金属催化层通过催化分解作用抑制电池长时间运行过程腐蚀溶液中腐蚀因子浓度的增加，整个多元金属复合涂层能够削弱电池服役过程中对金属极板基材的腐蚀作用，不仅能改善燃料电池金属极板基材的导电耐蚀性能，还能通过填本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层，金属极板基材表面自内向外依次包括覆盖于所述金属极板基材表面的复合金属层和覆盖于所述复合金属层表面的纳米导电层；其中所述复合金属层的厚度为5~3000 nm，自内向外依次包括金属耐蚀层、金属自愈层和金属催化层；所述纳米导电层的厚度为5~500 nm，选自碳基材料石墨、非晶碳、石墨烯、碳纤维、碳化物中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层，其特征在于，所述复合金属层的厚度为100~1000 nm，所述纳米导电层的厚度为20~200 nm。3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层，其特征在于，所述金属自愈层和所述金属催化层为多层交替结构覆盖于所述金属耐蚀层表面，所述多层交替结构的单层厚度为1~500 nm。4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层，其特征在于，所述金属自愈层和所述金属催化层形成的多层交替结构单层厚度为10~100 nm，且所述复合金属层的表层设置为所述金属催化层。5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层，其特征在于，所述金属耐蚀层的厚度为5~1000 nm，其中金属元素选自过渡金属元素钛、钽、铌、锆、铬中的一种或多种，以金属单质或合金形式存在。6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层，其特征在于，所述金属耐蚀层的厚度为50~200 nm。7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板金属复合涂层，其特征在于，所述金属自愈层中的金属元素以金属单质或合金形式存在，选自金、银、铂、铜、锡中的一种或多种；或所述金属自愈层中的金属元素包括主体金属元素和掺杂金属元素，且所述主体金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎焕明，毕飞飞，李骁博，姜天豪，胡鹏，蓝树槐，
申请(专利权)人：上海治臻新能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：