一种高耐蚀高导电热辅助成形不锈钢双极板及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高耐蚀高导电热辅助成形不锈钢双极板及其制备方法，该热辅助成形不锈钢双极板包括基体材料、耐蚀中间层和高耐蚀高导电表面涂层，其制备方法为：(1)采用振动清洗法，将不锈钢薄板或不锈钢带材坯料置于酒精或丙酮溶液中进行清洗，去除表面油污和杂质；(2)采用热辅助成形工艺在200～1000℃对不锈钢薄板或不锈钢带材坯料进行冲压或液压成形；(3)采用物理气相沉积等表面处理方法在热辅助成形不锈钢双极板表面制备一层耐蚀导电涂层。与现有技术相比，本发明专利技术可以同时提高不锈钢双极板的塑性成形性能和表面耐蚀与导电性能，缩短制备工艺流程，降低其生产制造成本。降低其生产制造成本。降低其生产制造成本。

【技术实现步骤摘要】
一种高耐蚀高导电热辅助成形不锈钢双极板及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，涉及一种高耐蚀高导电热辅助成形不锈钢双极板及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术因其发电效率高、可低温运行和绿色无污染等特点，被认为是未来的终极能源转换装置之一。在碳排放较高的交通运输领域，PEMFC具有广阔的应用前景，但目前其大规模商业化推广应用仍存在可靠性较低、寿命较短以及成本较高等方面的问题。其中，金属双极板作为PEMFC中的关键零部件，对其输出功率密度和耐久性方面的提升，成本的降低及商业化推广应用等方面均有着至关重要的作用。
[0003]目前，不锈钢双极板通常采用冷冲压成形工艺制备，但冷成形工艺难以制备流道圆角和拔模角较小的精细流道，并且成形过程中易产生开裂、起皱和回弹等问题。采用热辅助成形工艺，即在不锈钢双极板成形的同时或成形间隙，结合热处理工艺以进一步提高其成形性能的先进成形工艺可以较好地解决上述问题。但在空气氛围中采用热辅助成形工艺制备不锈钢双极板时，其表面会生成的导电性较低的氧化层。若采用化学或电化学等方法去除表面氧化层，以提高热辅助成形双极板的导电性能，则会导致其生产周期延长和生产成本提高，从而阻碍PEMFC的商业化应用进程。
[0004]中国专利文献CN106898784A提出了一种金属双极板热压或超塑性成形工艺，但该成形工艺需要在真空环境下实施，制造难度较高，且无法利用热压或超塑性成形过程制备耐蚀中间层。中国专利文献CN114713699B提出了金属双极板的热辅助气胀成形工艺，但未能解决金属双极板成形后其表面耐蚀与导电性能无法满足使用要求的问题。中国专利文献CN105895935B公开了一种包括多个交替的氧化物形成层和耐洗脱层形成的复合涂层金属双极板，但该涂层结构和制备工艺相对复杂，且氧化物形成层和耐洗脱层均需要单独制备。中国专利文献CN112993298A和CN112993300A均提出了一种由钛、锆和钨等金属氧化物组成的耐蚀过渡层，但该耐蚀过渡层需要由气相沉积、电沉积、喷涂或旋涂等工艺制备。中国专利文献CN216488161U提出了一种由钝化层、导电过渡层和导电防腐层组成的涂层结构。其中，钝化层由ZnO、TiO2、V2O5和HfO2等氧化物组成，且该钝化层须采用原子层沉积方法进行制备，难以实现连续批量化生产。中国专利文献CN115020734A提出了将金属氮化物作为中间梯度层以制备复合涂层的方法，但该中间梯度层需要采用电弧离子镀技术制备，制备工艺相对复杂。中国专利文献CN114990605A公开了一种由过渡金属氮化物和氧化物组成的复合涂层，该涂层采用磁控溅射沉积工艺制备，其制备周期较长，生产成本较高。
[0005]因此，对不锈钢双极板塑性成形和涂层制备工艺中存在的不足之处仍需要进一步研究，以提高其导电性和耐蚀性，提升PEMFC的功率密度，促进燃料电池的大规模商业化应用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高耐蚀高导电热辅助成形不锈钢双极板及其制备方法，通过将热辅助成形工艺和现有涂层制备工艺相结合提高不锈钢双极板的表面耐蚀性能和导电性。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]本专利技术提供一种高耐蚀高导电热辅助成形不锈钢双极板，包括基体材料、耐蚀中间层和高耐蚀高导电表面涂层，所述耐蚀中间层原位生长于基体材料的表面，所述高耐蚀高导电表面涂层沉积于耐蚀中间层的表面。
[0009]进一步地，所述基体材料包括奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢中的一种或多种，优选地，基体材料为铁素体不锈钢或奥氏体不锈钢。
[0010]进一步地，所述耐蚀中间层厚度为0.1～10μm，优选地，厚度为0.5
‑
5μm；化学组成为氧化层、渗氮层或渗碳层中的一种或多种，优选地，化学组成为氧化层、渗氮层或渗碳层中的一种。
[0011]进一步地，所述高导电高耐蚀表面涂层包括金属涂层Au、Pt，金属碳化物涂层CrC、TiC、ZrC和NbC，金属氮化物涂层TiN、CrN、ZrN和NbN，金属氧化物涂层ZrO2、Ti4O7，碳基涂层中的一种或多种，优选地，表面涂层包括金属碳化物涂层CrC、TiC、ZrC和NbC，金属氧化物涂层ZrO2、Ti4O7，碳基涂层中的一种或多种；表面涂层的厚度为30～500nm，优选地，涂层厚度为50～200nm，更优选地，涂层厚度为100nm。
[0012]本专利技术还提供一种高耐蚀高导电热辅助成形不锈钢双极板的制备方法，包括以下步骤：
[0013]S1：将不锈钢薄板或不锈钢带材坯料置于酒精或丙酮溶液中，采用振动清洗法去除表面油污和杂质；
[0014]S2：对S1中清洗后的不锈钢薄板或不锈钢带材坯料在一定温度和气氛中进行冲压或液压成形，压力为10～1000kN，或在级进或多次成形工艺中，对其前一次成形与后一次成形的间隙进行热处理，使不锈钢薄板或不锈钢带材坯料表面形成一层具有微小缺陷且耐蚀性能较好的中间层；
[0015]S3：采用机械振动法去除耐蚀中间层中结构松散且与基体材料结合力弱的物质，得到具有耐蚀中间层的不锈钢双极板；
[0016]S4：使用表面处理法对S3中的不锈钢双极板表面制备一层高耐蚀高导电涂层，得到高耐蚀高导电热辅助成形不锈钢双极板。
[0017]进一步地，在S2中，所述耐蚀中间层在热辅助成形过程中原位生成，或通过热处理与表面机械处理或表面化学处理或表面电化学处理方法结合制备形成，优选地，耐蚀中间层为原位生成。
[0018]进一步地，在S2中，耐蚀中间层为热辅助成形过程中原位生成，且气氛为空气时，热辅助成形加热温度为200～1000℃，加热时间为0.1～60min，优选地，加热温度为350～550℃或800～1000℃，更优选地，温度为850～900℃；优选地，加热时间为1～30min，更优选地，加热时间为10min；所述耐蚀中间层的化学组成包括金属氧化物Fe3O4、Cr2O3、Cr2O3·
FeO、Ni
·
Fe2O3和FeO。
[0019]进一步地，在S2中，耐蚀中间层为热辅助成形过程中原位生成，且气氛为保护气氛时，热辅助成形加热温度为200～1000℃，加热时间为10～60min，优选地，加热时间为20～40min；形成的耐蚀中间层包括金属氮化物Fe4N、Fe3N、Fe2N、CrN和Cr2N或金属碳化物Fe3C、Cr7C3、CrC。
[0020]进一步地，在S2中，所述微小缺陷为孔或线，且在不锈钢薄板或不锈钢带材坯料面内呈均匀分布，贯穿耐蚀中间层。
[0021]进一步地，在S4中，所述表面处理法为物理气相沉积、化学气相沉积方法和热喷涂工艺，优选地，采用物理气相沉积和化学气相沉积方法。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0023]1、本专利技术通过热辅助成形工艺提高不锈钢双本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高耐蚀高导电热辅助成形不锈钢双极板，其特征在于，包括基体材料、耐蚀中间层和高耐蚀高导电表面涂层，所述耐蚀中间层原位生长于基体材料的表面，所述高耐蚀高导电表面涂层沉积于耐蚀中间层的表面。2.根据权利要求1所述的一种高耐蚀高导电热辅助成形不锈钢双极板，其特征在于，所述基体材料包括奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种高耐蚀高导电热辅助成形不锈钢双极板，其特征在于，所述耐蚀中间层厚度为0.1～10μm，化学组成为氧化层、渗氮层或渗碳层中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的一种高耐蚀高导电热辅助成形不锈钢双极板，其特征在于，所述高导电高耐蚀表面涂层包括金属涂层Au、Pt，金属碳化物涂层CrC、TiC、ZrC和NbC，金属氮化物涂层TiN、CrN、ZrN和NbN，金属氧化物涂层ZrO2、Ti4O7，碳基涂层中的一种或多种，表面涂层的厚度为30～500nm。5.一种如权利要求1至4中任意一项所述的高耐蚀高导电热辅助成形不锈钢双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将不锈钢薄板或不锈钢带材坯料置于酒精或丙酮溶液中，采用振动清洗法去除表面油污和杂质；S2：对S1中清洗后的不锈钢薄板或不锈钢带材坯料在一定温度和气氛中进行冲压或液压成形，压力为10～1000kN，或在其前一次成形与后一次成形的间隙进行热处理，使不锈钢薄板或不锈钢带材坯料表面形成一层具有微小缺陷的耐蚀中间层；S3：采用机械振动法去除耐蚀中间层中结构松散且与基体材料结合力弱的物质，得到具有耐蚀中间层的不锈钢双极板；S4...

【专利技术属性】
技术研发人员：张存满，冷宇，明平文，闵峻英，杨代军，李冰，姚欢，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：