[发明专利]采用电沉积法在双极板表面制备石墨烯导电聚合物涂层的方法

说明书

本发明提供一种采用电沉积法在双极板表面制备石墨烯导电聚合物涂层的方法，包括以下步骤：步骤一、对氧化石墨烯进行化学改性，接枝阴离子型官能团，制备改性氧化石墨烯水分散液；步骤二、将改性石墨烯水分散液和导电聚合物单体水分散液按照比例混合，得到电解液；步骤三、对金属基双极板进行预处理，将金属基双极板放入硫酸溶液中浸泡，去除其表面钝化膜；步骤四、以金属基双极板为阳极，铂片为阴极，用直流电源对金属基双极板进行电沉积；步骤五、将沉积所得湿膜进行烘干，得到石墨烯导电高分子复合涂层。本发明利用阴离子型改性石墨烯表面的官能团对导电聚合物的掺杂作用，促进了导电聚合物的π电子离域，提高了复合涂层的导电性。

技术领域

本发明涉及石墨烯涂层技术领域，以及质子交换膜燃料电池用金属基双极板材料领域，具体涉及一种采用电沉积法在双极板表面制备石墨烯导电聚合物涂层的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其在能源问题零污染转型方面的巨大潜在而受到重视。双极板(BPs)占燃料电池总质量的60％–80％，总体积的70％–80％，总成本的30％–45％，是PEMFC中的一个重要材料，其在燃料电池中主要功能包括：1.通过极板上的气流通道将反应气体均匀分布在活性区；2.为膜电极组件提供机械支撑；3.传递电池组件之间的电流；4.去除阴极产生的水；5.防止反应气体泄漏；6.消除气体反应产生的热量；所以，双极板需要承受高湿度、高电位和高温度(工作温度80℃)等工作环境。美国能源部2020年对双极板的性能指标为：1.腐蚀电流密度(Icorr)1μA/cm²；2.接触电阻(ICR)10mΩ/cm²；3.导电率100S/cm；4.导热率10W/m·K；5.气体渗透性2×10–6cm³/s·cm²；6.弯曲强度50MPa；7.肖氏硬度40。

金属基双极板因其优异的导电导热性能、机械性能、对气体的密封性、可加工性以及低成本，成为双极板材料的主要发展趋势。但是，金属双极板在燃料电池中高温、高湿和高电位的工作环境下，极易腐蚀，形成钝化膜，增大双极板和膜电极之间的接触电阻，降低燃料电池的工作效率。因此，在金属基双极板表面制备导电耐蚀涂层是实现其应用的关键。

常用于金属基双极板表面的涂层材料包括三大类：碳材料、贵金属和金属陶瓷。这些涂层通常采用化学气相沉积或物理气相沉积等方法沉积到金属基底上，价格昂贵，能耗大，生产效率低。此外，碳材料和贵金属的标准电极电位通常比金属基底更高。电解液一旦渗透到涂层和基底之间的界面，涂层成为阴极，金属基底做为阳极，可能导致基底金属的加速腐蚀。本发明提出的电沉积方法更高效，更适合工业化生产，且改性石墨烯与导电高分子的复合涂层兼具导电性能、阻隔性能和缓蚀性能，能满足PEMFC双极板的要求。

导电聚合物由于制备方法简便、易于成膜、污染小且具有良好的防腐性能和高导电性，已被应用于金属基双极板表面。其主要的耐蚀防护机理包括：1.阻隔作用2.阳极保护作用3.缓蚀作用。但是，单一的导电聚合物涂层在合成过程中形成的涂层微缺陷仍会导致电解质的渗透，难以承受PEMFC的苛刻工作环境。因此，改善导电聚合物涂层的结构缺陷，提高其致密性至关重要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供采用电沉积法在双极板表面制备石墨烯导电聚合物涂层的方法，用于制备一种接触电阻低、耐腐蚀性高的改性石墨烯导电高分子复合涂层，该涂层用于质子交换膜燃料电池中金属基双电极的表面。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种采用电沉积法在双极板表面制备石墨烯导电聚合物涂层的方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

步骤一、对氧化石墨烯进行化学改性，接枝阴离子型官能团，制备改性氧化石墨烯水分散液；

步骤二、将改性石墨烯水分散液和导电聚合物单体水分散液按照比例混合，得到电解液；