[发明专利]一种酸性介质燃料电池双极板防护涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料表面处理技术领域，涉及一种酸性介质燃料电池双极板涂层及其制备方法，尤其涉及的是一种抗燃料电池中酸性介质腐蚀的多层复合防护涂层及其制备方法。

背景技术

21世纪将是氢能的世纪，随着地下煤气化制氢以及金属合金贮氢等技术的日趋成熟，燃料电池作为把氢能直接连续转化为电能的高效洁净发电装置即将大规模全面进入社会，预计到2020年，30％以上的电力将由燃料电池供给。燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置，是一项高效率利用能源而又不污染环境的新技术。燃料电池有多种类型，按使用的电解液不同分类，主要有磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)及碱性燃料电池(AFC)。而质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有高功率密度，高能量转换效率，低温启动，无腐蚀与电解液流失，低噪音，寿命长等独特优点，不仅是电动汽车的理想电源，成为世界上各大汽车公司竞相研究的技术热点，而且可以应用于航天、军事等特殊领域，并且随着PEMFC生产成本的降低和电池系统技术的优化，在燃料电池电站、电动汽车、高效便携式电源等方面都具有很大的市场潜力。

目前质子交换膜燃料电池面临的挑战是降低成本、减轻电池堆的质量，其中关键的部件是分隔电池堆中单电池的双极板。双极板要求材料和加工工艺成本低、质轻、板薄、良好的力学性能、高的表面和体积电导率、低透气性和耐腐蚀。选择合适的双极板材料和制备技术可极大地改善电池的性能。

通常可用于质子交换膜燃料电池双极板的材料主要分为三大类：石墨材料，复合材料和金属材料。传统的双极板材料是高纯度的电导石墨，这种材料具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，但石墨的脆性造成了加工困难，不仅费时，而且成本也高，难以实现批量生产。复合材料双极板由于密度低、阻气性好、强度高、加工性能优良，导电导热性能也完全满足PEMFC双极板的要求，但其制造成本仍然偏高，限制了其市场应用。而金属材料，尤其是不锈钢材料，成本低，强度高，易加工和成型，导电导热性能好，但其抗腐蚀性能相对较差，制约其商业化的应用。目前很多研究者采用PVD或CVD的方法在其表面沉积导电耐蚀涂层，在降低成本的同时，能大大提高不锈钢双极板的抗腐蚀及导电性能。例如，肖宇等人采用等离子体磁控溅射的方法在304不锈钢双极板表面沉积出致密均匀的Cr层和Cr₂N层，镀膜后的双极板界面导电性能良好，界面接触电阻为20mΩ.cm²，腐蚀电位提高了300mV；S.H.Lee,N等人利用电弧离子镀膜技术，在316L不锈钢双极板表面沉积一层TiN改性薄膜，使得双极板的接触电阻达到23mΩ.cm²，腐蚀电流密度降低到0.1μA.cm^-2。

双极板是PEMFC的核心部件，占电池组质量的60％，费用的45％。以金属双极板取代石墨双极板，无论是从材料成本、规模化加工，还是从大幅度提高电池比功率等方面看，都显示很好的应用前景。金属双极板材料选择与表面处理是当前及未来研究的一个重要方面。从现有研究成果看，轻金属如铝或其合金尽管在提高电池比功率方面更具优势，但表面处理面临更大的困难，施加单一耐蚀、导电涂层可能难以满足PEMFC的要求。镍基合金由于较高的成本，在商业化应用方面不具竞争力。以不锈钢为主的铁基合金由于具有良好的综合性能及相对较低的成本，显示明显的竞争优势，是当前及未来PEMFC薄层金属双极板发展的主流。因此，如何提高不锈钢双极板抗腐蚀及导电性能就显得尤为重要，它关系到未来燃料电池及其相关产业的发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种酸性介质燃料电池双极板防护涂层及其制备方法，以期该涂层具有较高的膜-基结合强度、优越的抗腐蚀性能及较好的导电性能。

为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。