[实用新型]一种燃料电池金属双极板涂层

说明书

一种燃料电池金属双极板涂层，其包括金属基底和导电耐腐蚀涂层，该涂层沉积在所述金属基底上且至少部分覆盖所述金属基底。金属基底为纯钛，涂层是由过渡层和表层组成的双层结构复合材料。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及燃料电池金属双极板涂层技术。

背景技术

质子交换膜燃料电池(缩写PEMFC)是燃料电池的一种类型，其工作原理是氢气和氧气分别通入两侧均带有催化剂的质子交换膜的两侧，形成电势差，当外电路被连通时，电极(催化剂)上分别发生得失电子的反应(氧化还原反应)，从而产生可以被利用的电流。由于其工作温度在常温区间，氢气来源广泛，效率高于传统内燃机，再加上各零部件生产制造技术相对成熟，因此，被认为是最适合在交通工具上使用的新型动力源。

PEMFC的结构主要包括膜电极组件(MEA)、双极板(BBP)、集流体、端板等。在PEMFC运行过程中，双极板的作用是支撑MEA、集流、导热、气体分配、隔绝燃料和氧化剂，由于目前采用的质子交换膜多为全氟磺酸膜，其分子支链的链端是具有强氧化性的磺酸基团；同时，由于全氟磺酸膜在燃料电池使用过程中存在降解的现象，会释放出氟离子，因此在燃料电池工作环境中，双极板要能够耐受pH＝2～3的磺酸、约0.1ppm浓度的氢氟酸以及约80℃的环境条件，这对双极板的耐腐蚀性提出了极高的要求。传统石墨材质的双极板表现出非常优异的耐腐蚀性能和导电性能，但其机械强度差、体积大、缺陷较多、加工成本高、加工效率低下等缺点使其越来越难以满足车用燃料电池体积更小、功率密度更高、制造成本更低、可靠性更高、便于大规模推广的要求。

相比之下，用金属制造的双极板具有体积薄、机械强度高、气阻率高、加工工艺性好、资源回收率高等优势，但普通金属双极板通常存在耐腐蚀性差的缺陷，而贵金属虽然也可以被制作成薄而导电、耐腐蚀的双极板，但成本太高难以实现商业化大规模应用。因此，非贵金属双极板加表面处理或者表面覆盖特殊涂层的策略成为提升燃料电池金属双极板耐腐蚀性能的主流研究方向。

CN104617316A专利公开了一种适用于质子交换膜燃料电池金属双极板的纳米晶ZrBN/Zr复合涂层及其制备方法，其中，金属双极板为钛合金双极板，采用等离子体磁控溅射的工艺，依次溅射沉积Zr沉积层、扩散层和ZrB层，然后在氮气气氛中进行离子氮化，最终得到ZrBN/Zr复合涂层。

CN107146899A专利公开了一种质子交换膜燃料电池不锈钢双极板表面涂层结构及制备方法。在厚度为0.05～0.1mm的不锈钢双极板表面，采用真空离子镀的方式，分别沉积含Ti、Ni、Cu、Au、Ag元素的基层，含有Cr、Al、Ni、 Al、V元素的中间层，以及由Cr、Ti、Ni、Al、V等金属氧化物构成的最外层。

CN106374116A专利公开了一种燃料电池金属双极板上的高熵合金复合涂层及其制备工艺。通过非平衡磁控溅射，从金属双极板表面向外，分别沉积高熵合金层、多元合金-碳过渡层和非晶碳膜外层，充分利用了高熵打底层和非晶碳膜外层之间的协同作用。

CN107302094A专利公开了一种用于燃料电池金属双极板的导电耐腐蚀功能涂层及其制备方法。该涂层包括自愈合层、超耐腐蚀层和超导电层，自愈合层由钛合金、钨合金组成；超耐腐蚀层包括氧化物层和氮化物层，其中氧化物层主要由钨合金的氧化物组成，氮化物层主要由钨合金、钛合金的氮化物组成；超导电层包含石墨和石墨烯。其自愈合层在外部涂层有针孔或机械性损伤的情况下，可以与氧气发生反应形成氧化物，自动填充针孔或损伤，阻止腐蚀反应的进一步发生。

CN108574107A专利公开了一种改善燃料电池双极板碳化物涂层导电及耐腐蚀性的方法。该方法包括通过磁控溅射、化学气相沉积、多弧离子镀等方法，在金属双极板表面依次沉积金属过渡层和金属碳化物涂层，然后用氢氟酸或氢氟酸与硝酸的混合酸对带涂层的双极板进行表面刻蚀处理，改变表面结构及组成成分，从而改善碳化物涂层的耐腐蚀性和导电性。