[發明專利]一種質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面復合改性層原位制備方法

有效

• 申請號: 202010042786.9
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111224121B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 郭媛媛;張澤;陳軍;劉磊;李露;周艷文;梁英爽;李書鑫;于來洋
• 申請（專利權）人: 遼寧科技大學
• 主分類號: H01M8/0228
• 分類號: H01M8/0228;H01M8/0206;H01M8/021;C23C8/38;C23C14/02;C23C14/16;C23C14/35
• 代理公司: 鞍山嘉訊科技專利事務所(普通合伙) 21224
• 代理人: 張群

本發明涉及一種質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面復合改性層原位制備方法，包括前期預處理、抽真空及預熱、等離子體清洗、非平衡磁控濺射制備純金屬Cr層、等離子體原位滲氮處理、冷卻后取出；所制備的不銹鋼雙極板表面復合改性層為滲氮/CrN_x復合改性層，內層為滲氮層，表層為CrN_x層。本發明采用等離子體增強磁控濺射系統，對純金屬Cr層和基體同時進行原位滲氮，通過氮原子由Cr層向基體內擴散，使其具有一個連續的梯度分布；與傳統的先滲氮后涂層復合處理工藝相比，具有更優異的導電性、耐磨性與膜基結合強度，從而延長雙極板的使用壽命。

技術領域

本發明涉及金屬材料表面改性處理技術領域，尤其涉及一種質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面復合改性層原位制備方法。

背景技術

不銹鋼是一類重要的金屬結構材料，它的主要特點是具有良好的耐蝕性，被廣泛的應用在船舶、管道、化工設備及航空航天等領域。特別是對于質子交換膜燃料電池領域，不銹鋼因其具有強度高、可加工強、氣體不透過性等優點，已成為商業化最具潛力的雙極板材料。然而，不銹鋼在含有侵蝕性陰離子(如Cl^-)的環境中易發生點蝕，從而嚴重影響了不銹鋼雙極板材料的使用壽命。

非平衡磁控濺射沉積技術具有沉積溫度低、沉積率高、制備膜層表面質量好等優點，廣泛應用于各種無機薄膜和涂層的制備中。在非平衡磁控濺射系統中增加能夠發射熱電子的鎢絲，能顯著提高等離子體的電離度，因而可實現鍍膜加滲氮一體化連續復合處理。

對不銹鋼表面進行鍍鉻加滲氮原位復合處理，可在表面形成由Cr與Cr₂N(或CrN)相構成的涂層，同時氮原子進一步擴散滲入基體形成過飽和固溶體相的滲氮層。其優點在于：

一、表層由于含有大量金屬Cr相而具有良好的導電性，同時該混合相的硬度(15～20GPa)遠低于傳統CrN涂層(25GPa以上)，可有效降低接觸電阻，提高燃料電池的輸出功率。

二、氮原子在表層中的擴散，可有效降低涂層中柱狀晶之間晶粒間隙，涂層的致密度增加，從而增加了涂層耐腐蝕性。

三、氮原子原位擴散進入Cr層與之結合，有效避免了鍍Cr后從真空室取出的工件暴露在大氣中被氧化形成致密的鈍化膜(Cr₂O₃)而阻礙氮原子的擴散，提高了滲氮效果；四、滲氮層中氮原子梯度分布，形成具有一定硬度漸變的過渡層，減小了涂層與基體的物性差異，提高了膜基結合力；氮原子的擴散有效地消除了基體與涂層間的界面效應，進一步增強結合強度，延長電池的壽命，獲得良好的經濟效益。

發明內容

本發明提供了一種質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面復合改性層原位制備方法，采用等離子體增強磁控濺射系統，對純金屬Cr層和基體同時進行原位滲氮，通過氮原子由Cr層向基體內擴散，使其具有一個連續的梯度分布；與傳統的先滲氮后涂層復合處理工藝相比，具有更優異的導電性、耐磨性與膜基結合強度，從而延長雙極板的使用壽命。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案實現：

一種質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面復合改性層原位制備方法，包括前期預處理、抽真空及預熱、等離子體清洗、非平衡磁控濺射制備純金屬Cr層、等離子體原位滲氮處理、冷卻后取出；所制備的不銹鋼雙極板表面復合改性層為滲氮/CrN_x復合改性層，內層為滲氮層，表層為CrN_x層。

一種質子交換膜燃料電池不銹鋼雙極板表面復合改性層原位制備方法，具體包括如下步驟：

1)工件前期預處理：

將不銹鋼雙極板浸入丙酮中用超聲波清洗20～45min，用壓縮空氣吹干表面置于干燥箱中，干燥箱設定溫度100～200℃烘干10～20min，然后將不銹鋼雙極板懸掛于等離子體增強磁控濺射系統的工件架上；

2)抽真空和預熱：