[發明專利]一種高耐蝕的燃料電池雙極板的多層復合碳涂層

有效

• 申請號: 202011298656.8
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112582634B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 黎煥明;畢飛飛;姜天豪;胡鵬;藍樹槐
• 申請（專利權）人: 上海治臻新能源股份有限公司
• 主分類號: H01M8/0213
• 分類號: H01M8/0213;H01M8/0228;H01M8/0243;H01M8/0245
• 代理公司: 上海世圓知識產權代理有限公司 31320
• 代理人: 陳穎潔;王佳妮

本發明提供一種高耐蝕的燃料電池雙極板的多層復合碳涂層，包括：覆蓋在雙極板金屬基材表面上的擴散滲透層；覆蓋在所述擴散滲透層上表面的致密耐蝕層；以及覆蓋在所述致密耐蝕層上表面的性能調控層；擴散滲透層的材料為C、N、Si、SiC、SiO₂和Si₃N₄中的一種或兩種以上的混合物；致密耐蝕層的材料由質量分數≥80%的非晶態碳、≤20%的氫元素和≤5%的氧元素構成；性能調控層的材料包括質量分數為80%～99%的C元素，摻雜0～10%的Si元素、0～10%的F元素、0～5%的O元素、0～10%的N元素、1%～20%的H元素；致密耐蝕層的內部或表面嵌有隨機分布的金剛石顆粒或類金剛石碳顆粒。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種高耐蝕的燃料電池雙極板的多層復合碳涂層。

背景技術

質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱PEMFC)以氫氣為燃料進行發電，并且產物為水無污染，對環境十分友好，其應用范圍已經包括汽車，無人機、固定電站等。而在質子交換膜燃料電池電堆中燃料電池雙極板發揮著重要作用，主要承擔著氣體分配，熱量傳導以及一定的支撐作用，占據了電堆重量的80％以及電堆成本的45％。而眾多的質子交換膜燃料電池雙極板材料當中包括金屬、石墨以及復合材料等。金屬雙極板具有優異的導電導熱性以及良好的機械性能，已作為燃料電池極板材料的首選。但是，未經改性處理的金屬雙極板在燃料電池的酸性(pH≈3)電位環境中會發生嚴重腐蝕，在表面生成致密的氧化膜造成雙極板的導電性能下降，并且在腐蝕過程中會析出大量金屬離子污染催化劑，進而削弱了燃料電池電堆的輸出性能。

在燃料電池金屬雙極板材料表面改性方面，在雙極板表面沉積一層或者多層涂層是最為常見的一種方法，所沉積的涂層需要滿足具有優良的導電性能以及在燃料電池酸性、高溫、電位環境當中保持穩定，同時要制備工藝簡單，制備成本低廉。因此碳涂層、尤其是sp2和sp3兩種雜化形式共存的非晶碳涂層得到了廣泛的關注。除了純碳涂層，非晶碳涂層中還可以摻雜其它金屬元素或者非金屬元素進行性能調控，例如鉻、鈦、鈮、鉭、氮、氟等元素。中國專利文獻CN 201717318U中提出采用磁控濺射方法制備碳基膜復合層，復合層中包括碳、碳化鈦和金屬鈦，具有優良的腐蝕性能和導電性能。中國專利文獻CN 102800871B中提出了一種碳鉻階梯鍍層，有效地提高了非晶碳涂層的結合性能和導電腐蝕性能。中國專利文獻CN 102306804B中則公開了一種具有高sp2雜化致密碳涂層，得到的碳涂層接觸角大于90°，有利于排水和降低腐蝕概率，同時碳涂層本身具有優良的導電性能。

通過優化改性后的碳涂層具有優異的導電性能和耐蝕性能，基本能夠滿足在燃料電池在正常工作環境當中的使用要求。但是，裝有非晶碳涂層改性的燃料電池在實際應用中還存在著以下3個問題：燃料電池除了需要滿足正常工況條件下的運行，還經歷著因變載、啟停等引起的惡劣工況，加在極板涂層上的電位可以高達1.6V，甚至2V，此時非晶碳涂層會發生強烈的腐蝕而產生脫落現象，進而造成極板基材的嚴重腐蝕，甚至損壞燃料電池。其次，非晶碳涂層和極板基材的結合性能對涂層的導電耐蝕性能也有很大影響，而傳統的非晶碳涂層往往無法與金屬極板基材形成良好的結合，需要在兩者之間添加過渡層。目前所公開的關于非晶碳涂層的專利中大多采用金屬底層來提高結合力，如鈦、鉻、鈮、鉭等金屬。雖然金屬底層的存在能夠明顯地提升涂層結合力，但在經歷了一定電位條件的腐蝕過后，金屬底層會發生氧化，造成涂層的接觸電阻增加，削弱燃料電池的輸出性能。最后，燃料電池應用范圍已經包括汽車、固定電站、無人機、海洋船舶等領域，對涂層的服役壽命和親疏水性能提出了諸多要求，而現有專利中的非晶碳涂層很難通過工藝的調控來滿足這些要求。因此，需要設計制備一種多層復合碳涂層來解決上述三個問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種高耐蝕的燃料電池雙極板的多層復合碳涂層，以克服現有技術存在的高電位腐蝕、金屬層氧化及應用環境有限等問題。

本發明的技術方案如下：