【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，具体涉及一种层层组装燃料电池金属双极板涂层及其制备方法。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池(pemfc)作为一种环保、高效、高功率密度、低工作温度、耐久性强的能源生产装置，已被应用于交通运输、航天器、移动设备等领域。其中，金属双极板因具有低电阻率、高导热性、良好的耐腐蚀性和机械性能、易加工制造等优点，被认为是pemfc多功能的核心组件。然而，金属双极板在pemfc高温强酸的工作环境中极易造成表面氧化和腐蚀破坏，导致导电性能降低、界面接触电阻增大，严重影响pemfc使用耐久性和稳定性，限制其规模化应用。
2、当前，通过具有良好腐蚀效果和导电性的涂层改性金属双极板是解决上述问题的重要途径。已经广泛的研究了利用物理气相沉积、化学气相沉积、化学镀、电镀等方法制备双极板保护涂层并起到积极效果。但是，普遍存在成本高(如引入贵金属)、设备投入高、生产工艺要求高、制备流程复杂、产品尺寸受限等工艺问题。
3、对于旨在市场化的燃料电池来讲，寻找简单、廉价、有效的表面涂层改性方法具有重要的意义。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决金属双极板高导电性和耐腐蚀性的矛盾问题，提供一种在金属双极板上层层组装纳米级导电聚合物涂层和碳涂层的多结构复合涂层及其制备方法，为扩展金属双极板表面改性的工业化发展提供基础。
2、为实现上述本专利技术的目的，第一方面，本专利技术实施例提出一种层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，包括：
3、s1，将金属
4、s2，采用酸洗、浸渍、碱热处理和等离子体处理中的一种或者多种方法，对预处理金属双极板进行表面羟基化改性，得到羟基化金属双极板；
5、s3，将导电聚合物均匀混合到溶剂中得到带正电的导电聚合物分散液，将带有负电的碳材料均匀分散到与其电性相同的聚电解质溶液中得到带负电的聚电解质-碳材料分散液；
6、s4，采用湿法沉积技术，将导电聚合物分散液在羟基化金属双极板表面沉积得到导电聚合物膜层，然后再采用湿法沉积技术，将聚电解质-碳材料分散液在导电聚合物膜层表面沉积得到碳膜层；
7、s5，按照所述s4的方法，依次交替沉积导电聚合物膜层和碳膜层至预定层数后，进行干燥处理；
8、s6，在真空环境或惰性气体下低温热处理；
9、s7，在低温热处理后，再湿法沉积导电聚合物薄膜和/或磁控溅射碳薄膜，形成后处理层，得到由若干导电聚合物膜层和碳膜层依次交替设置及后处理层形成的复合涂层。
10、优选的，所述s1中，金属双极板基体材料选择镁、铝、钛、铬、镍、铜、锌、锆、铌、钼、钨及其合金和不锈钢中的一种。
11、优选的，所述s4和所述s7中，导电聚合物材料选自聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯乙炔、聚咔唑中的至少一种。
12、优选的，所述s4和所述s7中，导电聚合物材料为相同材料。
13、优选的，所述s3中，聚电解质材料选自聚醚酰亚胺、聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇缩丁醛、聚苯乙烯磺酸和聚酰亚胺中的一种。
14、优选的，所述s3中，碳材料选自石墨或其改性物、碳纳米带或其改性物、碳纳米纤维或其改性物、碳纳米管或其改性物、石墨烯或其改性物、富勒烯其改性物、炭黑或其改性物和多孔碳或其改性物中的一种或几种。
15、优选的，所述s4和所述s7中，湿法沉积技术包括浸渍、喷涂和旋涂；
16、浸渍沉积包括常规浸渍、真空浸渍、压力浸渍和超声浸渍；
17、喷涂沉积包括空气喷涂、无空气喷涂、静电喷涂、热喷涂和低压力雾化喷涂；
18、旋涂沉积包括自旋涂和机械旋涂。
19、优选的，所述s6中，惰性气体为氩气，低温热处理为从室温逐步升至30～350℃，升温速率为2～5℃/min，并在最高温度下保持0～360min后自然冷却降温。
20、优选的，所述s7中，磁控溅射技术包括直流磁控溅射、射频磁控溅射、激光磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射和离子束增强磁控溅射。
21、第二方面，本专利技术实施例提供一种金属双极板涂层，为在金属双极板表面涂设的复合涂层，所述复合涂层包括沿远离所述金属双极板基体的方向依次交替设置的导电聚合物膜层和碳膜层，及位于最外层的后处理层。
22、优选的，每层所述导电聚合物膜层的厚度为20nm～900nm。
23、优选的，每层所述碳膜层的厚度为20nm～900nm。
24、优选的，每层所述碳膜层的碳材料含量相同，所述复合涂层中碳材料占聚电解质和碳材料总质量的50wt％～90wt％。
25、优选的，所述复合涂层的总层数为2～50。
26、优选的，以沿着远离所述金属双极板基体的表面的方向，每一层依次交替沉积的所述导电聚合物膜层和所述碳膜层为一组，每组内的所述导电聚合物膜层和所述碳膜层的厚度相同。
27、优选的，所述后处理层的厚度为20nm～500nm。
28、本专利技术提出了一种层层自组装燃料电池层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，将导电聚合物、聚电解质-碳材料分别均匀混合形成带有相反电荷的导电聚合物分散液和聚电解质-碳材料分散液，通过浸渍、喷涂或旋涂等湿法沉积技术中一种或多种的制备工艺沿金属双极板表面依次交替沉积纳米级导电聚合物膜层和碳膜层，并经后处理在外层设置导电聚合物薄膜或(和)碳薄膜，从而提供一种结构有序可控、膜层间高度附着的复合涂层用于实现金属双极板改性优化，使得金属双极板兼具优异的导电性和耐腐蚀性。具体来讲，具有以下优势：
29、(1)本专利技术实施例提供了一种金属双极板复合涂层制备技术，采用浸渍、喷涂、旋涂等湿法沉积工艺高效、快速的在金属双极板表面构建层叠的纳米涂层，相邻层间因正负电荷静电吸引的化学结合和机械互锁作用提高复合涂层的致密度和相容性；采用湿法沉积或磁控溅射技术形成后处理保护层弥补纳米涂层缺陷。同时，本专利技术实施例的原材料来源广泛、方法简单易行、工艺条件温和，适合大规模推广。
30、(2)本专利技术实施例通过层层组装提供一种结构有序变化的复合涂层，由逐层交替沉积的纳米级导电聚合物膜层、碳膜层以及表面沉积的后处理薄膜构建而成，具有膜层组成、结构与厚度的精准调控的显著优势，并且有效提高了涂层对金属双极板的结合强度。
31、(3)本专利技术实施例提供一种高精度、多层结构协同作用的复合涂层。通过静电吸引嵌入到金属双极板的导电聚合物能够保持良好的附着力，同时形成的导电聚合物增加涂层稳定性并降低接触电阻；而碳膜层中通过相互交联的聚电解质以及碳材料能够形成优异的导电网络和耐腐蚀保护层；通过热处理将聚电解质部分的转化为无定型碳以进一步提高各膜层间的电接触。此外，利用后处理薄膜封堵针孔类缺陷并在表面产生物理屏障，防止电解液渗透而腐蚀双极板。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，其特征在于，所述S1中，金属双极板基体材料选择镁、铝、钛、铬、镍、铜、锌、锆、铌、钼、钨及其合金和不锈钢中的一种。
3.根据权利要求1所述的层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，其特征在于，所述S4和所述S7中：
4.根据权利要求1所述的层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，其特征在于，所述S3中：
5.根据权利要求1所述的层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，其特征在于，所述S4和S7中，湿法沉积技术包括浸渍、喷涂和旋涂；浸渍沉积包括常规浸渍、真空浸渍、压力浸渍和超声浸渍；喷涂沉积包括空气喷涂、无空气喷涂、静电喷涂、热喷涂和低压力雾化喷涂；旋涂沉积包括自旋涂和机械旋涂；
6.根据权利要求1所述的层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，其特征在于，所述S6中，惰性气体为氩气，低温热处理为从室温逐步升至30～350℃，升温速率为2～5℃/min，并在最高温度下保持0～360min后自然冷
7.一种金属双极板涂层，其特征在于，为在金属双极板基体表面涂设的复合涂层，所述复合涂层包括沿远离所述金属双极板基体的方向依次交替设置的导电聚合物膜层(1)和碳膜层(2)，及位于最外层的后处理层(3)。
8.根据权利要求7所述的金属双极板涂层，其特征在于，每层所述导电聚合物膜层(1)的厚度为20nm～900nm；
9.根据权利要求7所述的金属双极板涂层，其特征在于，每层所述碳膜层(2)的碳材料含量相同，所述复合涂层中碳材料占聚电解质和碳材料总质量的50wt％～90wt％。
10.根据权利要求7所述的金属双极板涂层，其特征在于，所述复合涂层的总层数为2～50，以沿着远离所述金属双极板基体的表面的方向，每一层依次交替沉积的所述导电聚合物膜层(1)和所述碳膜层(2)为一组，每组内的所述导电聚合物膜层(1)和所述碳膜层(2)的厚度相同。
...【技术特征摘要】
1.一种层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，其特征在于，所述s1中，金属双极板基体材料选择镁、铝、钛、铬、镍、铜、锌、锆、铌、钼、钨及其合金和不锈钢中的一种。
3.根据权利要求1所述的层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，其特征在于，所述s4和所述s7中：
4.根据权利要求1所述的层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，其特征在于，所述s3中：
5.根据权利要求1所述的层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，其特征在于，所述s4和s7中，湿法沉积技术包括浸渍、喷涂和旋涂；浸渍沉积包括常规浸渍、真空浸渍、压力浸渍和超声浸渍；喷涂沉积包括空气喷涂、无空气喷涂、静电喷涂、热喷涂和低压力雾化喷涂；旋涂沉积包括自旋涂和机械旋涂；
6.根据权利要求1所述的层层组装燃料电池金属双极板涂层制备方法，其特征在于，所述s6中，惰性气体为氩气，低温热处理为...
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