用于质子交换膜燃料电池双极板的复合涂层及制备方法技术

一种应用于质子交换膜燃料电池双极板的复合涂层及制备方法，属于燃料电池领域。所述复合涂层基体为不锈钢薄板，不锈钢表面制备复合涂层，复合涂层由金属层和过渡层构成，总厚度为0.6～5μm。所述复合镀层是利用多弧离子镀方法，在不锈钢表面由内及外依次制备Ti、TiN、TiCrN、CrN镀层，本发明专利技术旨在提高不锈钢双极板的耐腐蚀性能、界面导电性能，并在长期的稳态工况下服役后，仍然具备优良的耐蚀性能和导电性能。导电性能。导电性能。

【技术实现步骤摘要】
用于质子交换膜燃料电池双极板的复合涂层及制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种质子交换膜燃料电池双极板的复合涂层及其制备工艺。

技术介绍

[0002]目前，氢能主要通过氢燃料电池，高效清洁地把化学能直接转化为电能。在众多燃料电池中，质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)是最有潜力的一种，在新能源汽车动力电源领域显示出很大的优势，例如商用车领域等。
[0003]双极板作为质子交换膜燃料电池中的核心组件质之一，在分散气体及收集电流并将其输送到外部电路方面也起着至关重要的作用，但是其成本占到了整体的约45％、重量占比更是超过了80％。双极板必须具有优良的导电性、良好的耐腐蚀性、高疏水性、良好的成型性和低成本。最早广泛应用在极板的材料是石墨，这是由于石墨具有优异的导电性和化学惰性。然而，石墨质地很脆，可加工性很差，给流道的加工带来了巨大的挑战。近年来，金属材料尤其是不锈钢，成为制造双极板的最佳候选材料。然而，质子交换膜燃料电池的酸性环境会对不锈钢造成严重腐蚀，而且不锈钢基体在长时间运行时还表现出较强的钝化行为，表面钝化膜会显著增加其与气体扩散层(GDL)之间的接触电阻。因此，有必要对不锈钢进行表面改性处理，提高其耐腐蚀性和导电性。
[0004]不锈钢表面一般先制备纯金属层，尤其是晶格常数与基体金属相近的并且具有优良耐酸腐蚀性能的金属，可以进一步提高极板整体的耐蚀性能。TiN具有良好的耐酸腐蚀能力及优良的导电性，但其稳定性较差，而CrN层，耐蚀稍差，但具有较低的接触电阻，非常适合用来改善界面导电性能。
[0005]鉴于上述原因，开发一种具有高耐蚀、高导电性能的质子交换膜燃料电池双极板具有重要的工程意义。

技术实现思路

[0006]鉴于以上问题，本专利技术提出一种用于质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的复合涂层及其制备方法，在长期腐蚀后，依然具有优良耐蚀性能和界面导电能力。
[0007]为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种应用于质子交换膜燃料电池双极板的复合涂层，其特征在于，基体为不锈钢薄板，不锈钢表面制备复合涂层；所述复合涂层由金属层和过渡层构成，所述复合涂层总厚度为0.6～5μm。
[0009]进一步地，最内层的纯金属层为Ti、Zr、Nb、Ta、Hf、Pt、Ag、Ag、Cr、 Pb中的一种或二种以上。
[0010]进一步地，最外层为Ti、Zr、Nb、Ta、Hf、Cr、Mo中的一种或二种以上的金属氮化物、碳化物、碳氮化物。
[0011]进一步地，所述过渡层为Ti、Zr、Nb、Ta、Hf、Cr、Mo中的一种或二种以上的金属氮化
物、碳化物、碳氮化物；
[0012]所述过渡层数量为一层以上。
[0013]进一步地，所述不锈钢薄板表面的复合涂层由内而外分别为纯金属层、TiN 过渡层、TiCrN过渡层、CrN层。
[0014]进一步地，所述不锈钢薄板厚度为0.1mm～1mm。
[0015]进一步地，所述不锈钢薄板材料选自304不锈钢、304L不锈钢、310不锈钢、316不锈钢、316L不锈钢、904L不锈钢、2205不锈钢和2507不锈钢中的任意一种。
[0016]如上所述应用于质子交换膜燃料电池双极板复合涂层的制备方法，制备步骤如下：
[0017](1)不锈钢薄板表面去除油脂、氧化层，冷风吹干；
[0018](2)将清洗好的不锈钢薄板放入真空室的基台上，抽真空；
[0019](3)溅射清洗不锈钢表面，去除表面氧化物；
[0020](4)开启Ti靶，首先进行Ti层的制备；
[0021](5)开启氮气并同时开启Ti靶，进行TiN层的制备；
[0022](6)开启Cr靶、Ti靶，保持氮气开启，进行TiCrN层的制备；
[0023](7)关闭Ti靶，开启Cr靶，保持氮气开启，进行CrN层的制备；
[0024](8)关闭全部靶材，关闭氮气，保温；
[0025](9)开放气阀，取出产品。
[0026]进一步地，步骤(1)中，不锈钢薄板用800～3000#砂纸逐级打磨，然后表面抛光至表面粗糙度R
z
为0.5μm～1.5μm；抛光后的不锈钢薄板在碱性溶液中进行超声清洗5～20分钟以去除样品表面的油脂，然后在酸溶液中超声清洗2～10分钟以去除样品表面氧化层，最后用去离子水冲洗不锈钢薄板；所述碱性溶液由 Na2CO
3 30g/L、Na3PO
4 30g/L和NaOH 40g/L组成；所述酸溶液由N,N
‑
二甲基甲酰胺500mL/L和HF 100mL/L组成。
[0027]进一步地，步骤(2)中，真空室的压力抽至5
×
10
‑3～5
×
10
‑5Pa。
[0028]进一步地，步骤(3)中，溅射电源为射频电源，基体偏压为
‑
500～
‑
800V，电流设为50～80A，溅射时间为15～30min；靶材与基体的间距为150～250mm；
[0029]基片加热温度为250～400℃；Ar气流量为50～200sccm。
[0030]进一步地，步骤(4)中，Ti靶偏压设为
‑
100～
‑
250V电流为50～90A，溅射时间为10～30min。
[0031]进一步地，步骤(5)中，Ti靶电压设为
‑
50～
‑
200V，氮气流量500～900sccm。
[0032]进一步地，步骤(6)中，Cr靶溅射电源为偏压为
‑
80～
‑
200V，电流为50～90A，溅射时间为10～30min。
[0033]进一步地，步骤(7)中，Ti靶关闭，Cr靶溅射电源为偏压为
‑
80～
‑
200V，电流为50～90A，溅射时间为10～30min。
[0034]进一步地，步骤(8)中，所有靶材关闭后，继续在真空环境下保持10～30分钟，以降低涂层应力。
[0035]本专利技术的有益技术效果：
[0036]本专利技术制备得到的四层复合涂层，具有比316L不锈钢基体明显提高的耐蚀性、导电性和疏水性。而且在长期实际工况腐蚀后，仍具有较好的界面导电性能。
[0037]本专利技术制备得到的四层复合涂层在模拟质子交换膜燃料电池阴极环境中的腐蚀电位为169.5mV(vs Ag/AgCl)，比316L不锈钢基体提高了近400mV。
[0038]本专利技术得到的四层复合涂层在模拟质子交换膜燃料电池阴极环境中的腐蚀电流为0.02μA/cm2，比316L不锈钢基体降低了超过3个数量级。
[0039]本专利技术制备得到的四层复合涂层在模拟质子交换膜燃料电池阴极环境中对基体的总体保护效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于质子交换膜燃料电池双极板的复合涂层，其特征在于，基体为不锈钢薄板，不锈钢表面制备复合涂层；所述复合涂层由金属层和过渡层构成，所述复合涂层总厚度为0.6～5μm。2.如权利要求1中所述应用于质子交换膜燃料电池双极板的复合涂层，其特征在于，最内层的纯金属层为Ti、Zr、Nb、Ta、Hf、Pt、Ag、Ag、Cr、Pb中的一种或二种以上。3.如权利要求1中所述应用于质子交换膜燃料电池双极板的复合涂层，其特征在于，最外层为Ti、Zr、Nb、Ta、Hf、Cr、Mo中的一种或二种以上的金属氮化物、碳化物、碳氮化物。4.如权利要求中所述应用于质子交换膜燃料电池双极板的复合涂层，其特征在于，所述过渡层为Ti、Zr、Nb、Ta、Hf、Cr、Mo中的一种或二种以上的金属氮化物、碳化物、碳氮化物；所述过渡层数量为一层以上。5.如权利要求1中所述应用于质子交换膜燃料电池双极板的复合涂层，其特征在于，所述不锈钢薄板表面的复合涂层由内而外分别为纯金属层、TiN过渡层、TiCrN过渡层、CrN层。6.如权利要求1中所述应用于质子交换膜燃料电池双极板的复合涂层，其特征在于，所述不锈钢薄板厚度为0.1mm～1mm。7.如权利要求6中所述的应用于质子交换膜燃料电池双极板的复合涂层，其特征在于，所述不锈钢薄板材料选自304不锈钢、304L不锈钢、310不锈钢、316不锈钢、316L不锈钢、904L不锈钢、2205不锈钢和2507不锈钢中的任意一种。8.如权利要求5所述应用于质子交换膜燃料电池双极板复合涂层的制备方法，其特征在于，所述复合涂层的制备步骤如下：(1)不锈钢薄板表面去除油脂、氧化层，冷风吹干；(2)将清洗好的不锈钢薄板放入真空室的基台上，抽真空；(3)溅射清洗不锈钢表面，去除表面氧化物；(4)开启Ti靶，首先进行Ti层的制备；(5)开启氮气并同时开启Ti靶，进行TiN层的制备；(6)开启Cr靶、Ti靶，保持氮气开启，进行TiCrN层的制备；(7)关闭Ti靶，开启Cr靶，保持氮气开启，进行CrN层的制备；(8)关闭全部靶材，关闭氮气，保温；(9)开放气阀，取出产品。9.根据权利要求8所述的应用于质子交换膜燃料电池双极板的复合涂层的制备方法，其特征在于步骤(1)中，不锈钢薄板用800～3000#砂纸逐级打磨，然后表面抛光至表面粗糙度R
z
为0.5μm～1.5μm；抛光后的不锈钢薄板在碱性溶液中进行超声清洗5～20分钟以去除样品表面的油脂...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆鸿，王雪飞，乔春雨，董超芳，李晓刚，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：