[发明专利]一种用于氢燃料电池金属双极板的多层梯度涂层Cr/CrN/(Ti,W)3

说明书

本申请公开了一种用于燃料电池双极板的多层梯度涂层，属于燃料电池领域，解决了现有技术中涂层普遍存在制备成本高，效率低，涂层中存在针孔、大颗粒，或柱状晶，严重影响其长期稳定性的问题。本申请的技术方案中，在双极板的金属底材上通过沉积等方式构建了Cr过渡层、CrN连接层和(Ti,W)subgt;3/subgt;AlCsubgt;2/subgt;涂层，尤其是(Ti,W)subgt;3/subgt;AlCsubgt;2/subgt;涂层是使用磁控溅射方法沉积(Ti,W)subgt;3/subgt;AlCsubgt;2/subgt;外层涂层。本申请的技术方案，(Ti,W)subgt;3/subgt;AlCsubgt;2/subgt;涂层为掺杂后钛铝碳，其耐腐蚀性能以及导电性能显著提高，腐蚀电流密度下降49～59％，自腐蚀电位提高0.09～0.12V，接触电阻下降33～44％，具有极好的性能和耐久性。

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池双极板的多层梯度涂层及其构建方法，并公开了使用此种多梯度涂层的燃料电池双极板，涉及燃料电池领域。

背景技术

PEMFC(质子交换膜燃料电池)具有结构紧凑、体积小、能量密度高、效率高、启动快、低温运行以及零排放的优势，被认为是现阶段理想的清洁发电能源。双极板作为PEMFC最重要的组成部件之一，将单电池串联、并联或是混合联结形成电池堆，起到支撑的作用，还能够隔绝阴极、阳极的反应气体，排出电池堆反应产生的热量和水，对PEMFC电池堆的性能至关重要。

目前PEMFC使用的双极板主要有石墨双极板、金属双极板和复合双极板三种。金属双极板强度高，易加工，超薄双极板容易获得规模化生产，能提升燃料电池的比功率。但是双极板工作环境中具有多种腐蚀性离子，如SO₄^2-、F^-等，金属双极板材料容易受到腐蚀，形成钝化层，增加双极板与扩散层之间的接触电阻增大，极大影响燃料电池电堆的输出功率与耐久性。

因此通过表面涂层改性，降低金属双极板表面接触电阻、提高其导电性和耐腐蚀性是其商业化应用的关键。目前的双极板涂层主要有碳基涂层、贵金属涂层，导电高分子聚合物涂层、疏水涂层、过渡金属陶瓷化合物等。碳基涂层具有优异的耐腐蚀性能，并且导电性、导热性能优良，同时还具有较低的生产成本，已经得到了广泛的研究。但是碳类涂层沉积效率较低，影响其大规模化应用。贵金属涂层具有优异的耐腐蚀性和导电性，但是成本太高。导电高分子聚合物涂层可以对双极板起到很好的防护作用，具有良好的耐腐蚀性和导电性，其中研究较多的就是聚苯胺(PANI)和聚吡咯(PPy)，但是涂层与基体的结合力较弱。疏水涂层的疏水性能可以在很大程度上影响双极板的腐蚀速率，但难以保持长久的稳定性。

过渡金属陶瓷化合物有极好的物理、化学和力学性能，在双极板工作环境中有优异的耐腐蚀性和稳定性，并且还能保持高导电性，是PEMFC双极板理想的涂层材料之一，有良好的发展前景。但是，目前的过渡金属陶瓷化合物涂层普遍存在制备成本高，效率低，涂层中存在针孔、大颗粒，或柱状晶，严重影响其长期稳定性，涂层结合力差或者长期稳定性差导致的脱落问题设置会对电堆产生恶劣的影响，加速电堆的老化进程。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，一方面本发明提供一种用于燃料电池双极板的多层梯度涂层及其制备方法，另一方面，本发明提供一种具有多层梯度涂层的燃料电池双极板。

本发明采取的技术方案是，一种用于燃料电池双极板的多层梯度涂层，包括Cr过渡层和CrN连接层，CrN连接层构建于Cr过渡层表面；

用于燃料电池双极板的多层梯度涂层还具有(Ti,W)₃AlC₂涂层，所述(Ti,W)₃AlC₂涂层构建于CrN连接层表面，(Ti,W)₃AlC₂涂层的W为钨元素。