[發(fā)明專利]改善燃料電池雙極板碳化物涂層導(dǎo)電及耐蝕性的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810219089.9
• 申請(qǐng)日: 2018-03-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108574107A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-09-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 易培云;黎煥明;彭林法;邱殿凱;來(lái)新民
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/021
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/021;H01M8/0213;H01M8/0228
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 陳亮

本發(fā)明涉及改善燃料電池雙極板碳化物涂層導(dǎo)電及耐蝕性的方法，包括在金屬雙極板表面依次沉積金屬過(guò)渡層和金屬碳化物涂層，然后對(duì)涂覆有涂層的雙極板進(jìn)行刻蝕處理，改變碳化物涂層的表面結(jié)構(gòu)及組成成分，最后經(jīng)過(guò)清洗，烘干得到耐腐蝕性能和導(dǎo)電性改善的碳化物涂層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在金屬極板上鍍有涂層的基礎(chǔ)上采用刻蝕技術(shù)對(duì)涂層性能的優(yōu)化，避免了涂層制備時(shí)調(diào)整各參數(shù)大小時(shí)的耦合影響，因此可應(yīng)用于燃料電池雙極板碳化物涂層性能的進(jìn)一步完善以達(dá)到燃料電池的工作要求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種改善燃料電池雙極板碳化物涂層導(dǎo)電及耐蝕性的方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)由于其轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、工作溫度低、工作壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在交通、國(guó)防、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在質(zhì)子交換膜燃料電池組成結(jié)構(gòu)中雙極板占去了大部分的空間與成本，同時(shí)燃料電池的服役環(huán)境是一種含SO₄^2-,Cl^-,F^-等離子的高溫(60～90℃)、強(qiáng)酸性(pH＝1～3)環(huán)境，因此對(duì)雙極板的物理性能及化學(xué)性能提出了更高的要求：理想的雙極板材料必須是電和熱的良導(dǎo)體，具有良好的阻氣性，在一定工作溫度和電位范圍內(nèi)具有良好的耐腐蝕性，密度低，強(qiáng)度高，并且易于加工成型和大批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的金屬材料具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，機(jī)械性能優(yōu)異，適合大批量生產(chǎn)，是燃料電池雙極板材料的首選，但金屬極板在燃料電池工作環(huán)境中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，造成金屬極板中Cr⁺,Ni⁺等金屬離子析出，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜污染及催化劑降解，從而降低燃料電池使用壽命，而且在酸性環(huán)境中金屬表面極易形成鈍化膜增大極板和氣體擴(kuò)散層接觸電阻，導(dǎo)致電池輸出功率的下降。因此在金屬極板表面制備耐腐蝕和高導(dǎo)電性的涂層是改善金屬極板性能的有效途徑。

目前應(yīng)用于金屬雙極板的涂層主要包括石墨涂層、貴金屬涂層、導(dǎo)電聚合物涂層以及金屬陶瓷涂層。石墨涂層和貴金屬涂層雖然具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及導(dǎo)電性，但前者沉積速率過(guò)慢導(dǎo)致時(shí)間成本過(guò)高，后者也由于其過(guò)高的材料成本而不適于大批量生產(chǎn)；導(dǎo)電聚合物涂層的化學(xué)性能并不十分穩(wěn)定，而且與基體的結(jié)合程度無(wú)法滿足要求。而金屬陶瓷涂層，尤其是金屬碳化物涂層由于其優(yōu)異的耐腐蝕性能和導(dǎo)電性能、以及沉積速率快，制備成本低在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，因此在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高涂層的性能也是目前研究熱點(diǎn)。在金屬碳化物涂層耐腐蝕性和導(dǎo)電性能的優(yōu)化方面，目前主要可以通過(guò)以下三個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：(1)改變金屬材料(如Cr,Ti,Zr,Nb等)及工藝參數(shù)從而確定擁有最佳性能的金屬碳化物中各組成成分的比例；(2)在碳化物涂層中摻雜其它元素(如N或者其它金屬)；(3)通過(guò)物理或化學(xué)方法改變涂層的表面結(jié)構(gòu)及組成成分。前兩種方法需要重新調(diào)試參數(shù)制備新的碳化物涂層，而最后一種方法則可以直接在現(xiàn)有的碳化物涂層基礎(chǔ)上對(duì)其性能進(jìn)行改善，可以節(jié)約大量的時(shí)間及材料成本。其中刻蝕工藝是一種通過(guò)改變涂層表面結(jié)構(gòu)從而改善涂層性能的有效方法，包括濕法刻蝕及干法刻蝕。刻蝕過(guò)程主要包括以下三個(gè)步驟：反應(yīng)物擴(kuò)散到反應(yīng)表面，化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行以及反應(yīng)產(chǎn)物的剝離。如圖1和圖2所示，通過(guò)刻蝕改變金屬碳化物涂層的表面結(jié)構(gòu)及組成成分，除去涂層中部分金屬元素，降低服役過(guò)程中金屬離子的逸出，使更多的導(dǎo)電性顆粒暴露在表面，從而有效地提高涂層的導(dǎo)電性及耐腐蝕性。