[发明专利]一种燃料电池金属双极板复合涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池金属双极板复合涂层及其制备方法。该复合涂层包括包括沿金属双极板表面向外侧依次设置的钝化层、支撑层和耐蚀导电层；钝化层为钛、钨、锆、钒、铌、钽、钼中的一种或两种以上的合金，支撑层为氮掺杂的上述过渡金属的碳化物层，最外层耐蚀导电层为氮掺杂的碳层。支撑层中氮原子掺杂比例在1％‑20％之间；耐蚀导电层中氮原子掺杂比例在1％‑20％之间。本发明所涉及的复合涂层能在燃料电池环境下保持较高的导电性和较好的结构完整性，增加金属双极板的抗腐蚀性和导电性，提升其在燃料电池环境下的耐久性。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种用于燃料电池金属双极板复合涂层及其制备方法。

背景技术

作为质子交换膜燃料电池的关键组分之一，双极板占到了超过80％的重量和30％的成本，除了均匀分散反应物质到膜电极并提供机械支撑外，双极板还需要实现相邻单电池间的导电连接，防止氢氧混合，导出多余的热量和水，因此，双极板材料需要具备如下特征：高导电导热性、高强度、耐腐蚀、致密性好、易加工、成本低等。金属板材料，即不锈钢和钛合金等，具有高水平的导电性和导热性、高机械强度、低冲压成本和极低的氢渗透率，有望取代传统石墨成为主要金属双极板材料。金属双极板通常在酸性(pH2-3)、高温(60-90℃)且潮湿的燃料电池环境下工作。燃料电池运行条件也会随负载变化、启动/关闭和额定功率等条件而异，并导致金属双极板上出现高电位。恶劣的环境和腐蚀性电解质会在金属双极板的外表面上产生某些钝化层，从而显著增加在金属双极板和气体扩散层界面处的接触电阻。此外，金属双极板腐蚀释放的离子会毒化膜电极上的催化剂而限制发电效率。因此，需要在金属双极板表面设计保护涂层，以降低接触电阻并提高其耐腐蚀性。近年来研究者们已经进行了许多尝试使用不同的方法来制备防腐和导电涂层，例如贵金属涂层、金属碳化物涂层、导电聚合物和复合涂层。

专利CN104716339B公开了一种燃料电池金属极板表面碳化物和金属氧化物复合涂层及其制备方法，该复合涂层由金属极板表面向上依次设置的纳米导电金属氧化物层、碳化物层组成。该涂层利用金属氧化物作为离子阻挡层和碳化物作为导电层的特性，形成致密涂层避免穿孔、裂纹等缺陷，具有较高的耐腐蚀性能。专利cN 110284102 A公开了一种增强燃料电池金属极板抗腐蚀性能的金属碳化物晶体复合涂层，在预处理好的金属基材上沉积有一层耐高电位腐蚀的金属底层，然后在所述的金属底层的上表面再沉积一层由金属与金属碳化物交替沉积构成的掺杂过渡层，最后在所述的掺杂过渡层的上表面再沉积一层金属碳化物的晶体涂层，使其具有更好抗腐蚀能力和导电能力。然而绝大部分氧化物材料导电性较差，将其直接用于金属双极板表面改性接触电阻较大。此外，金属碳化物层中柱状晶难以避免，容易导致腐蚀介质向内部渗透，且表层金属原子的钝化会进一步导致接触电阻的增加。

发明内容

针对现有问题，本发明提供了一种兼具导电和耐蚀功能的燃料电池金属双极板复合涂层。

本发明所采取的技术方案为：

一种燃料电池金属双极板复合涂层，该复合涂层包括沿金属双极板表面向外侧依次设置的钝化层、支撑层和耐蚀导电层；所述钝化层为钛、钨、锆、钒、铌、钽、钼中的一种或两种以上的合金；所述支撑层为氮掺杂的过渡金属碳化物层，其中氮原子掺杂的原子比在1％-20％之间；所述耐蚀导电层为氮掺杂的碳层，其中氮原子掺杂的原子比在1％-20％之间。

上述技术方案中，进一步地，所述支撑层中氮原子掺杂的原子比为8％-15％；所述耐蚀导电层中氮原子掺杂的原子比为5％-12％。

上述技术方案中，进一步地，所述过渡金属碳化物为碳化钛、碳化钨、碳化锆、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化钼中的一种或多种的混合。

上述技术方案中，进一步地，钝化层的厚度为20-200nm，支撑层的厚度为20-800nm，耐蚀导电层厚度为50-800nm。

上述技术方案中，进一步地，所述钝化层的厚度为50-200nm，所述支撑层的厚度为200-800nm，所述耐蚀导电层的厚度为200-800nm。