一种耐蚀钛合金双极板及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于燃料电池技术领域，具体涉及一种耐蚀钛合金双极板及其制备方法和应用。本发明专利技术提供了一种耐蚀钛合金双极板，包括钛合金基板和包覆在钛合金基板表面的钽涂层；所述钽涂层包括钽扩散层和钽沉积层。在本发明专利技术中，钽扩散层形成了钽涂层和钛合金基板中元素的冶金结合，界面之间结合牢固，有助于防止Ta涂层的脱落。钽涂层具有金属钽的耐蚀特性，能够有效地抵御电解液中F

【技术实现步骤摘要】
一种耐蚀钛合金双极板及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种耐蚀钛合金双极板及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种新型的发电装置，具有效率高、使用寿命长、零排放、低温快速启动等优点，可同时解决节能和环保两大世界难题，是未来最有前景的能源来源之一。双极板是PEMFC的重要部件，其作用主要是输送反应气体，隔离氧化剂和燃料，支撑膜电极保证整个电池堆的结构稳定，并以传导电流的形式连接电池堆中的每个单电池。由于双极板长期处于酸性潮湿的环境中，为了保证燃料电池工作的可靠性，双极板也要求有较好的耐腐蚀性能。
[0003]目前，PEMFC常用的双极板有石墨、复合材料和金属等类型。石墨是最早开发的双极板材料，在酸性燃料电池环境中具有优异的化学稳定性和良好的导电性。但是，由于石墨的孔隙率大、力学强度较低、脆性大，为了阻止工作气体渗过双极板，且满足力学性能的设计，石墨双极板的厚度通常较厚，以至于导致石墨材料体积和重量较大。另外，石墨材料加工性能差、成品率低、从而增加了制造成本高。复合双极板材料一般由高分子树脂基体和石墨等导电填料组成，其中，树脂作为增强剂和粘接剂，不仅可增强石墨板的强度，还可以提高石墨板的阻气性。然而，目前生产的复合双极板接触电阻高、成本高，还不适用于商业化生产。
[0004]金属及其合金导电性能优异，成本低廉，容易批量加工，厚度可以薄至0.1mm，是一类具有巨大潜力的双极板候选材料。由于钛及钛合金具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，使其成为PEMFC双极板的潜在材料，并引起广泛关注。然而，由于PEMFC的电解液为0.5mol
·
L
‑1H2SO4和2mg
·
L
‑1HF混合液，会与钛发生反应，导致钛合金板表面TiO2保护层的破坏，进而加速合金内部钛的溶解和腐蚀，造成钛及钛合金双极板结构性破坏，降低使用寿命和安全性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种耐蚀钛合金双极板及其制备方法和应用，本专利技术提供的耐蚀钛合金双极板具有钛合金的轻质性和金属钽的耐蚀性，提高了钛合金双极板的使用寿命和服役安全性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种耐蚀钛合金双极板，包括钛合金基板和包覆在钛合金基板表面的钽涂层；
[0008]所述钽涂层包括由内到外依次层叠设置的钽扩散层和钽沉积层。
[0009]优选地，所述钽涂层的厚度为10～250μm。
[0010]优选地，所述钽扩散层中的钽元素由内到外呈梯度分布。
[0011]优选地，所述钽沉积层中钽的质量分数为99.5％以上，密度为钽理论密度的99.5％以上。
[0012]优选地，所述钛合金基板为TA1、TA2或TA10。
[0013]本专利技术还提供了上述技术方案所述耐蚀钛合金双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0014]在氢气和氯气气氛下，以钽片为靶材，以钛合金基板为沉积基体进行化学气相沉积，得到所述耐蚀钛合金双极板。
[0015]优选地，所述化学气相沉积的氯化室温度为200～300℃；
[0016]所述沉积基体的温度为1150～1350℃。
[0017]优选地，所述化学气相沉积的时间为0.1～3h。
[0018]优选地，所述氢气的流量为400～600mL/min；
[0019]所述氯气的流量为50～80mL/min。
[0020]本专利技术还提供了上述技术方案所述耐蚀钛合金双极板或上述技术方案所述制备方法制备得到的耐蚀钛合金双极板在燃料电池中的应用。
[0021]本专利技术提供了一种耐蚀钛合金双极板，包括钛合金基板和包覆在钛合金基板表面的钽涂层；所述钽涂层包括钽扩散层和钽沉积层。在本专利技术中，钽扩散层形成了钽涂层和钛合金基板中元素的冶金结合，界面之间结合牢固，有助于防止Ta涂层的脱落。钽涂层具有金属钽的耐蚀特性，能够有效地抵御电解液中F
‑
和H
+
对钛合金双极板的腐蚀和破坏，使所述耐蚀钛合金双极板具备钛合金的轻质性和金属钽的耐蚀性，提高了钛合金双极板的使用寿命和服役安全性。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为实施例1得到的耐蚀钛合金双极板横截面显微组织图；
[0024]图2为实施例1得到的耐蚀钛合金双极板与钛合金板的阳极动电位极化曲线图；
[0025]图3为实施例1得到的耐蚀钛合金双极板与钛合金板的阴极动电位极化曲线图。
具体实施方式
[0026]本专利技术提供了一种耐蚀钛合金双极板，包括钛合金基板和包覆在钛合金基板表面的钽涂层；
[0027]所述钽涂层包括由内到外依次层叠设置的钽扩散层和钽沉积层。
[0028]在本专利技术中，所述钽涂层的厚度优选为10～250μm，更优选为50～200μm，最优选为100～150μm；钽扩散层的厚度优选为10～15μm，更优选为11～14μm，最优选为12～13μm。
[0029]在本专利技术中，所述钽扩散层中的钽元素优选地由内到外呈梯度分布，所述钽元素更优选由内到外呈含量由小到大的梯度分布。
[0030]在本专利技术中，所述钽沉积层中钽的质量分数优选为99.5％以上，更优选为99.6～
100％，最优选为99.7～99.9％；密度为钽理论密度的99.5％以上，更优选为99.6～100％，最优选为99.7～99.9％。
[0031]在本专利技术中，所述钛合金基板优选为TA1、TA2或TA10，更优选为TA1或TA10。
[0032]本专利技术提供的耐蚀钛合金双极板具有钛合金的轻质性和金属钽的耐蚀性，提高了钛合金双极板的使用寿命和服役安全性。在本专利技术中，钽扩散层形成了钽涂层和钛合金基板中元素的冶金结合，界面之间结合牢固，有助于防止Ta涂层的脱落。钽涂层具有金属钽的耐蚀特性，能够有效地抵御电解液中F
‑
和H+对钛合金双极板的腐蚀和破坏。
[0033]本专利技术还提供了上述技术方案所述耐蚀钛合金双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0034]在氢气和氯气气氛下，以钽片为靶材，以钛合金基板为沉积基体进行化学气相沉积，得到所述耐蚀钛合金双极板。
[0035]进行所述化学气相沉积前，本专利技术还优选包括钛合金基板前处理。
[0036]在本专利技术中，所述钛合金基板前处理优选包括依次进行的抛光、酸洗、清洗和干燥；所述清洗优选为超声清洗；所述干燥优选为烘干处理；本专利技术对所述抛光、酸洗、超声清洗和烘干处理的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐蚀钛合金双极板，其特征在于，包括钛合金基板和包覆在钛合金基板表面的钽涂层；所述钽涂层包括由内到外依次层叠设置的钽扩散层和钽沉积层。2.根据权利要求1所述的耐蚀钛合金双极板，其特征在于，所述钽涂层的厚度为10～250μm。3.根据权利要求1所述的耐蚀钛合金双极板，其特征在于，所述钽扩散层中的钽元素由内到外呈梯度分布。4.根据权利要求1所述的耐蚀钛合金双极板，其特征在于，所述钽沉积层中钽的质量分数为99.5％以上，密度为钽理论密度的99.5％以上。5.根据权利要求1所述的耐蚀钛合金双极板，其特征在于，所述钛合金基板为TA1、TA2或TA10。6.权利要求1～5任一项所述耐蚀钛合金双极板的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑振涛，杨军辉，杨艳，储宏伟，潘宇，王枭，李璐，郑兴睿，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：