[发明专利]一种表面改性的钛双极板及其制备方法和在质子交换膜燃料电池中的应用

说明书

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种表面改性的钛双极板及其制备方法和在质子交换膜燃料电池中的应用。钛双极板包括钛基体以及钛基体表面的单层Ti_1‑aCr_aN_xO_y镀层；其中，0≤a≤1，0.90≤x≤0.94，0.06≤y≤0.09。改性后钛双极板的耐腐酸蚀性能得到了显著改善，同时双极板与气体扩散层之间的界面接触电阻值明显降低，解决了现有单层涂层双极板的耐腐蚀性和导电性能不理想的技术问题。本方案所涉及表面改性的钛双极板可应用在质子交换膜燃料电池，提升此类器件的性能，并适合批量生产。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种表面改性的钛双极板及其制备方法和在质子交换膜燃料电池中的应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种以氢气和氧气为燃料，将化学能转化为电能的装置，单电池的工作电压为0.65-0.9V。它具有工作温度相对较低(-30℃-90℃)、启动时间快、转换效率高(40％-60％)、对环境友好等优点得到了研究者们的青睐。PEMFC主要由膜电极、双极板、气体扩散层以及密封圈等组件组成。其中，双极板作为燃料电池的重要组件之一，占电堆成本的40％，体积的70％，重量的80％。它具有集流导电、连接单体模块、分隔反应气体、排除产物水等重要作用。因此，理想的双极板须具有较好的机械加工性能、较强的力学性能以及优良的耐腐蚀性能和导电性能。

石墨双极板是最早开发应用的双极板，具有低密度、高电导率和良好的抗腐蚀性等优点，然而它的脆性大、且加工性能差，从而限制了它的应用范围。金属双极板具有良好的导电性、导热以及机械性能，可做成超薄板，同时容易进行批量生产，因此受到了研究者们的广泛关注。然而在PEMFC的酸性工作环境中，金属易被腐蚀；同时金属表面自发生成的低导电性的氧化膜会增大双极板与气体扩散层之间的界面接触电阻，从而增加欧姆损耗，降低PEMFC的输出功率。

目前主要在金属双极板表面制备金属、金属氮化物、金属碳化物、导电聚合物等涂层以提高耐腐蚀性能和导电性能。邵志刚等人通过电弧离子镀法在钛基底表面制备单层金属涂层，金属为Nb、Cr、Zr、Mo中的一种或以上(申请公布号：CN111244493一种质子交换膜燃料电池薄钛双极板的表面改性方法)。在0.6V(vs.SCE)恒电位下测试4h，腐蚀电流密度为1.992μA/cm²(0.5M H₂SO₄+5ppm KF)，在150N/cm²的压紧力下，涂层与碳纸之间的界面接触电阻为13.52mΩ·cm²。但是，上述技术虽然成功获得了单层涂层，该专利产品的抗腐蚀和导电性能均不理想。实际操作用，人们通常使用多层涂层来增强双极板的抗腐蚀性和导电性能。通过在金属双极板表面制备涂层能够有效地提高耐腐蚀性能和导电性能，相比于单层涂层，多层涂层更有利于双极板性能的提升，然而，多层涂层的制备工艺相对繁琐，同时制备成本相对较高。

发明内容

本发明意在提供一种表面改性的钛双极板，以解决修饰有单层涂层的双极板的耐腐蚀性和导电性能不理想的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种表面改性的钛双极板，包括钛基体以及钛基体表面的Ti_1-aCr_aN_xO_y单层镀层；其中，0≤a≤1，0.90≤x≤0.94，0.06≤y≤0.09。

本方案还提供了一种表面改性的钛双极板的制备方法，包括以下依次进行的步骤：

S1：对钛基体进行超声清洗，获得预处理后的钛基体；

S2：对预处理后的钛基体进行溅射清洗，获得待镀膜的钛基体；