[发明专利]一种用于燃料电池钛极板的导电预涂层及其制备方法

说明书

本发明的一种用于燃料电池钛极板的导电预涂层及其制备方法，从钛基材表面向外依次为：分布在钛基材表面的第一金属颗粒层，覆盖在第一金属颗粒层表面的原位氧化层，覆盖在原位氧化层表面的第二金属层，以及覆盖在第二金属层表面的纳米导电层；第一金属颗粒层的金属为抗点蚀金属铌、钽、钼、钨或钯中的一种或两种；原位氧化层为金属钛氧化生成的缺氧氧化钛TiO_x，其中1x2；第二金属层中的金属为高韧性金属金、银、铂、锡或铜中的一种或两种；纳米导电层为导电贵金属或者导电碳材料。本发明不仅提高钛基材表面导电性能，同时和钛基材具有优异的结合性能，能够有效抑制钛基材的氧化，提高涂层的耐久性。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种用于燃料电池钛极板的导电预涂层及其制备方法，具体涉及一种提高燃料电池钛极板导电稳定性和抗点蚀性能的导电预涂层及其制备方法。

背景技术

双极板是质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）系统中的重要组件之一，并且占据了整个燃料电池电堆的大部分重量和成本。对于理想的双极板来说，双极板材料必须是电和热的良导体，具有良好的阻气性和耐腐蚀性，并且要易于加工成形和大批量生产。金属薄板依靠着优良的导电性能、导热性能和抗震性能成为双极板加工的主流材料。目前金属极板从原材料到加工成产品需要经历很多道工艺，主要依次包括金属薄板的冲压成型、阴极板和阳极板的焊接、金属极板的表面改性处理以及密封。这种先成形后涂层的工艺次序会导致金属极板表面涂层的不均匀，尤其体现在金属极板脊上、槽底以及侧壁处涂层的厚度差异，同时在分立的极板表面沉积涂层会容易造成原材料的浪费，导致金属极板生产效率的下降以及良品率的降低。因此，为了提高金属极板的生产效率，采用预涂层工艺——直接在金属基材表面沉积涂层后再进行冲压成形成金属极板，具有很好的应用前景。

钛及钛合金材料具有密度小、比强度高等优势，在燃料电池极板中已经得到了广泛的应用。但是，在燃料电池环境下腐蚀后，金属表面会生成一层或者多层致密的氧化膜，并且随着腐蚀时间的增加而变厚，进而导致接触电阻显著增大，降低电池输出功率，同时燃料电池环境中的氟离子对钛材料具有点蚀作用，加速钛材料的溶解，因此仍需对钛金属表面进行改性处理，提高其导电性能和抗点蚀性能。

中国专利文献CN113737142A公开了一种钛极板复合梯度碳基涂层的制备方法，采用多层梯度结构涂层解决了钛极板导电性差的问题。专利文献CN110137525A公开了一种在纯钛极板上采用高功率脉冲磁控溅射工艺，制备包含Ti、C、N三种元素的复合过渡层和类石墨表层的复合材料的技术，提升了燃料电池的寿命。但上述专利文献中的改性涂层直接沉积在钛极板表面，由于极板表面存在沟槽流道结构，存在极板表面涂层厚度不均匀现象；而当这些导电涂层应用在预涂层工艺当中时，涂覆涂层的基材进行冲压成形后，还存在涂层开裂、导致基材暴露发生氧化以及点蚀等风险。

因此，对于燃料电池钛极板的预涂层来说，不仅需要改性提高其表面导电性能，同时还要避免涂层在成形过程中发生开裂、暴露基材、导致点蚀以及氧化膜随着腐蚀进行而不断增殖等问题，开发一种应用于燃料电池钛极板的导电预涂层具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于燃料电池钛极板的导电预涂层及其制备方法，以提高燃料电池钛极板的导电性能以及抗点蚀性能。

本发明的技术方案如下：

本发明的一种用于燃料电池钛极板的导电预涂层，其特征在于，从钛基材表面向外依次为：分布在钛基材表面的第一金属颗粒层，覆盖在所述第一金属颗粒层表面的原位氧化层，覆盖在所述原位氧化层表面的第二金属层，以及覆盖在所述第二金属层表面的纳米导电层；在所述原位氧化层内部，分布着至少一层的第一金属颗粒和第二金属颗粒的混合层，从第一金属颗粒层向外至第二金属颗粒层，所述混合层中的第一金属颗粒的质量占比从100%依次下降至0%，第二金属颗粒的质量占比从0%依次上升至100%；