[发明专利]一种质子交换膜燃料电池钛合金双极板纳米晶Zr涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池钛合金双极板纳米晶Zr涂层及其制备方法。

背景技术

当今世界人类的生存与可持续发展正面临着能源短缺以及能源过度使用造成的环境污染等问题的严峻挑战。能源的优化利用与开发清洁、安全的新能源成为当务之急。燃料电池作为一种高效和洁净的发电技术，它可以将活性物质的化学能通过电化学反应直接转化为电能，具有能量转化率高(40～60％)、环境友好、工作噪音低、几乎不排放氮和硫的氧化物，较低的二氧化碳排放量等优点，被誉为是继水力、火力和核能之后的第四代发电装置。作为第五代燃料电池的质子交换膜燃料电池是以固态的高分子聚合物作为电解质，具有能量转化效率高、无噪声、零污染、无腐蚀、工作温度低、冷启动快、寿命长和比功率高等优点，因此具有极其广阔的应用前景，尤其适合做电动车、潜艇和各种可移动电源，己成为世界各国的研究热点之一。双极板是质子交换膜燃料电池的关键组件之一，通常双极板分为石墨板和金属板两种类型，金属材料比石墨材料具有更好的导热、导电性以及良好的机械强度与机加工性能等优点，被认为是质子交换膜燃料电池商业化的必然选择。常见的金属双极板材料主要包括不锈钢、Ti以及Al合金等。由于钛合金具有比强度高、易于加工等特点，在提高电池组的比功率方面更具优势，但金属双极板在质子交换膜燃料电池氢电极侧，因为高温及酸性环境下易发生腐蚀溶解，致使电极电催化剂活性降低，导致膜电阻增加；而在氧电极侧，表面钝化层会导致膜电极扩散层和双极板间的界面接触电阻增大，增强了欧姆极化作用，降低燃料电池输出功率。采用先进的表面改性技术制备各类表面防护涂层是提高金属双极板耐腐蚀性能和降低接触电阻的有效方法之一。目前用于燃料电池金属双极板的表面改性技术主要有电镀、化学气相沉积、物理气相沉积和离子镀等方式。但上述方法往往存在一些不足之处，如电镀产生的废液污染环境，而化学气相沉积、物理气相沉积和离子镀改性层往往存在冶金缺陷，一定程度上降低了不锈钢镀银层的耐腐蚀性能，从而严重影响镀膜双极板的耐久性及安全性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种质子交换膜燃料电池钛合金双极板纳米晶Zr涂层及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种质子交换膜燃料电池钛合金双极板纳米晶Zr涂层，所述纳米晶Zr涂层由外层的Zr沉积层和内层的扩散层组成，所述Zr沉积层由等轴的、平均尺寸约为15nm的纳米晶Zr组成，所述扩散层是由Zr沉积层与钛合金双极板的合金元素互扩散形成，扩散层中合金元素呈梯度分布。

按上述方案，所述纳米晶Zr涂层的厚度为45～100μm。

按上述方案，所述Zr沉积层中Zr的质量份数大于98％。

按上述方案，所述钛合金双极板为Ti-6A1-4V双极板。

一种质子交换膜燃料电池钛合金双极板纳米晶Zr涂层的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用超声波清洗砂纸精磨后的钛合金双极板；

(2)将超声清洗处理后的钛合金双极板作为工件放入双阴极等离子溅射沉积炉内，将其与一个可控阴极装置连接；将溅射靶材与另一个可控阴极装置连接；靶材与工件的间距为8～15mm；所述溅射靶材为纯度99.99％的Zr烧结板；

(3)将双阴极等离子溅射沉积炉抽真空，再向炉内通氩气，使炉内气压保持在30～45Pa；

(4)开启与靶材和工件相连接的阴极，分别将两个阴极电压控制在如下范围：靶材电压600～850V，靶材电流0.5～1.5A，工件电压200～350V，工件电流0.3～1.2，沉积温度为600～800℃，沉积时间为2～4小时，得到钛合金双极板纳米晶Zr涂层。

优选地，所述靶材与工件的间距为10～12mm；所述炉内气压保持在35～40Pa，所述靶材电压700～830V，所述工件电压300～350V，沉积温度为730℃～800℃。

按上述方案，所述钛合金双极板为Ti-6Al-4V双极板。

按上述方案，所述双阴极等离子溅射沉积炉的真空度为5×10^-3Pa。

按上述方案，所述氩气的气体流量为40sccm～50sccm。

本发明的有益效果：