[發明專利]一種鈦合金表面微納顆粒復合導電增強結構及其制備方法

有效

• 申請號: 202110478414.5
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113422084B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 彭林法;楊昊迪;徐竹田;來新民
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M8/0208
• 分類號: H01M8/0208;H01M4/88
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

本發明涉及一種鈦合金表面微納顆粒復合導電增強結構及其制備方法，由微米級顆粒、納米級顆粒和鈦合金基體三類材料組成，所述微米級顆粒嵌入在鈦合金基體表面，所述納米級顆粒分散在鈦合金基體表層。制備方法包括以下步驟：對鈦合金基材I進行酸洗，對基材I壓印預制微米級凹坑，獲得鈦合金基材II；對基材II進行酸蝕處理，獲得表面具有納米孔洞的基材III；超聲振動使微米級顆粒IV落入基材III凹坑中；將納米顆粒V在氣相或液相中沉積到基材III表面；利用熱輥壓的方式對微納米顆粒IV、V和基材II進行熱擴散連接，獲得表面復合微納結構的基材VI。與現有技術相比，本發明解決了燃料電池金屬極板材料耐蝕性能與導電性能的矛盾。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其是涉及一種鈦合金表面微納顆粒復合導電增強結構及其制備方法。

背景技術

雙極板是一種典型的燃料電池組成構件，目前金屬雙極板由于成形性良好、適用于批量制造等特點，被廣泛應用于燃料電池中。

雙極板的導電性能和耐蝕性能均會影響燃料電池性能，但在現有的金屬雙極板產品中，常用金屬材料的導電性能和耐蝕性能不可兼得，該因素制約了產品綜合性能的提高。例如，不銹鋼極板具有良好的耐蝕性能，但導電性能較差；鈦合金極板具有良好的導電性，但其表面極易形成氧化層，雖然具有良好的耐腐蝕性，但導電性能同樣明顯降低。

另一方面，雙極板表面層作為一種新的極板結構，近年來得到日益廣泛的關注。現有研究表明，碳素、Ag、Au等具有良好的耐蝕性能和導電性能。在金屬極板良好成形性的基礎上，將碳素、Ag、Au等結合到金屬極板表層，可以顯著提高極板產品的耐蝕性能和導電性能，適用于極板的大規模批量制造。

在鈦合金基材表面通過預壓印得到凹坑，并通過酸蝕處理在表面預制納米級孔洞，將微米級顆粒嵌入凹坑中，納米級顆粒填入納米孔洞，通過加壓熱擴散將顆粒與基體進行連接，形成大小顆粒共同作用的導電結構，為極板提供從表面到機體基體的導電通路，從而避免由于表層鈦的氧化而導致的導電性下降，同時保證極板基材的良好成形性，避免由于變形不協調導致的開裂及脫附問題。但該方面研究仍未見報道。

對現有文獻檢索發現，中國專利公開號為：CN109735869A，名稱為：一種耐蝕導電合金膜層及其制備方法和應用，該技術包括：金屬基底和耐蝕導電表面膜層。金屬基底為不銹鋼，膜層材料由鈦、鈮組成。該技術的缺點是，靶材純度要求嚴格，生產過程采用磁控濺射，成本高。

又經文獻檢索發現，中國專利公開號為：CN111244493A，名稱為：一種質子交換膜燃料電池薄鈦雙極板的表面改性方法，該技術包括：鈦基底以及表面涂層材料。涂層部分是通過電弧離子鍍法獲得的鈮、鉻、鋯、鉬等金屬層。該技術的缺點是，若在極板成形之后鍍膜效率低，不適合大規模快速生產；在極板成形之前鍍膜，存在表層金屬與基體金屬變形不協調問題。

再經文獻檢索發現，中國專利公開號為：CN110129727A，名稱為：用于燃料電池金屬雙極板的預涂鍍金屬卷帶的制備方法，該技術包括：內部金屬基帶、中間過渡鍍層以及外層石墨化鍍層。金屬基帶為不銹鋼或鎳基合金，過渡鍍層與石墨化鍍層均采用物理氣相沉積方法形成。該技術的缺點是，受限于涂層為連續層狀石墨結構，在沖壓過程中易出現涂層開裂或涂層與基體的脫附現象，影響最終產品性能。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種兼顧導電性和耐蝕性的鈦合金表面微納顆粒復合導電增強結構及其制備方法，可滿足大規模快速生產的需求。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種鈦合金表面微納顆粒復合導電增強結構，該導電增強結構由微米級顆粒、納米級顆粒和鈦合金基體三類材料組成，所述微米級顆粒嵌入在鈦合金基體表面，所述納米級顆粒分散在鈦合金基體表層。

進一步地，所述的微米級顆粒粒徑在5～20μm，納米級顆粒粒徑在10～500nm，鈦合金基體原始基材厚度在0.1～1mm。