[發明專利]一種不銹鋼基燃料電池雙極板表面復合涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 202011472628.3
• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112609165B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 周艷文;徐帥;趙卓;王英涵;杜峰;方方;余曉東;武俊生;張開策
• 申請（專利權）人: 遼寧科技大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/16;C23C14/06;C23C14/58;H01M8/0228
• 代理公司: 鞍山貝爾專利代理有限公司 21223
• 代理人: 喬麗艷

本發明要解決的技術問題是克服現有不銹鋼極板表面涂層改性技術的不足，提供了一種不銹鋼基燃料電池雙極板表面復合涂層及其制備方法。本發明采用的鍍膜方法是高功率復合熱絲增強等離子體磁控濺射技術；所鍍膜層有三層，分別為打底層，梯度過渡層和表層。其中打底層為鉻、鈦、鋁、鐵的一種或兩種，依據基體的不同，選擇具有相互擴散能力的金屬打底層，提高涂層與基體結合強度；梯度過渡層主要是通過打底層金屬中的一種或兩種與反應氣體生成的MeC梯度化合物，目的是增加涂層強度和致密度；表層為摻雜貴金屬銀、金、鈀金或鉑金的非晶碳層，目的是增強導電性和耐蝕性。

技術領域

本發明屬于燃料電池制備技術領域，尤其涉及一種不銹鋼基燃料電池雙極板表面復合涂層及其制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池在很多領域得到了廣泛的應用，其特點是工作溫度低且轉換效率高。在質子交換膜燃料電池的組成結構中，要求一定溫度耦合酸性服役環境下的雙極板具有良好的物理和化學性能，即耐蝕性、導電性及化學穩定性。傳統的不銹鋼材料，如不銹鋼、鈦和鋁等，雖然具有耐蝕性好、密度低、強度高等優點，但是由于其表面極易鈍化的特性而致其接觸電阻增大，從而導致了燃料電池的輸出功率大幅下降。因此對不銹鋼極板表面以導電、耐蝕涂層改性將是改善不銹鋼基板上述性能的有效途徑之一。

中國專利申請CN108574107A公開了以物理及化學氣相沉積(PVD、CVD) 的方法在不銹鋼雙極板表面依次沉積金屬過渡層和金屬(鉻、鈦、鈮或鉬)碳化物(含氫)涂層，并對涂覆有涂層的雙極板進行刻蝕處理，改變碳化物涂層的表面結構及組成成分。中國專利申請CN110983283A公開了一種氫燃料電池金屬雙極板用Ti/TiCN納米涂層的制備方法。中國專利申請CN110718699A公開了一種采用粉末包埋滲法在不銹鋼極板表面原位沉積生成金屬氮化物涂層的方法。所采用的粉末包是由Cr₂N粉末、Al₂O₃粉末、NH₄Cl粉末以一定的比例混合而成，所述的不銹鋼為316L不銹鋼，不銹鋼表面得到Cr₂N涂層。中國專利申請CN111029606A公開了一種采用梯度磁控濺射方法在金屬雙極板表面依次制備金屬/金屬硼化物中間層以及金屬硼化物表層的方法。中國專利申請CN110911705A 公開了一種采用CVD方法在復合材料雙極板上沉積Ti₃SiC₂涂層的方法。

上述專利中，采用傳統PVD或CVD方法，在金屬基板表面沉積金屬碳氮化物耐蝕材料，其導電性由表層陶瓷涂層性能決定。

中國專利申請CN111224120A公開了一種采用多弧離子鍍技術C/Nb_xC/Nb復合涂層改性的金屬(不銹鋼，鈦合金或鋁合金)雙極板及其制備方法與應用。中國專利申請CN110364749A公開了一種采用電化學方法在金屬雙極板表面沉積摻雜有機導電聚合物的碳復合涂層的制備方法。中國專利申請CN110137525A公開了一種采用高功率脈沖磁控濺射在金屬雙極板表面制備Ti、C、N三種元素的復合過渡層和類石墨(GLC)涂層的方法。中國專利申請CN109037723A公開了一種采用磁控濺射技術在金屬雙極板表面依次制備金屬底層和復合石墨微晶碳涂層的方法。

上述專利則以傳統或先進的高功率磁控濺射技術制備了耐蝕性良好的碳表面。碳涂層的導電性由其石墨化和微晶化程度決定，而石墨化或微晶化的同時，涂層的致密度和附著力的惡化傾向又將導致耐蝕性的下降。

中國專利申請CN108914060A公開了一種采用等離子體增強磁控濺射技術在鈦合金或不銹鋼雙極板表面沉積CrN/TaN超晶格+貴金屬或非晶碳膜涂層的方法。中國專利申請CN108018529A公開了一種采用離子濺射沉積技術在鋁基雙極板表面制備摻銀TiN復合涂層的方法。中國專利申請CN111092241A公開了一種不銹鋼雙極板表面制備貴金屬涂層的方法。中國專利申請CN107146899A公開了一種不銹鋼雙極板表面制備中間層Au、AgCr、Al、V、Co、Pt中的一種或二種以上復合金屬氮化物的方法。