一种质子交换膜燃料电池金属双极板防护涂层的制备方法

本发明涉及质子交换膜燃料电池，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池金属双极板防护涂层的制备方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池被认为是氢能最理想的转化装置，兼具高效率、无污染、无噪声、寿命长、功率密度高、工作温度低、启动快等优点。在电力生产、航空航天、交通运输等领域都拥有广阔的应用前景，因此，质子交换膜燃料电池的发展受到诸多国家与企业的关注。

2、在质子交换膜燃料电池中，双极板作为核心部件之一，起着导热导电、分布反应气体、支撑膜电极，联结单电池和排水等多个作用，因此要求双极板具有优异的导电导热性、耐腐蚀性、抗气体渗透性和一定的机械强度。

3、目前商业化的石墨双极板具有优异的耐腐蚀性和导热导电性，但石墨疏松多孔的结构使其抗气体渗透性较差，需要足够的厚度才能起到隔绝阴阳极反应气体的作用，同时较差的可加工性使其制造成本上升，在质子交换膜燃料电池中，石墨双极板约占电堆质量的70％和成本的40％。相对于石墨双极板，金属双极板兼顾导热导电性的同时还具有优异的抗气体渗透性和可加工性，可制造成极薄的双极板，这将大幅提高质子交换膜燃料电池的比能量和比功率，是石墨双极板最有潜力的替代材料。金属材料具有易加工、成本低、能量密度高的优点，是目前常用的双极板材料。其中，钛及其合金在高极化电位下更加稳定，能有效抵抗质子交换膜燃料电池启停过程中的高电位冲击，是理想的双极板材料。然而，在质子交换膜燃料电池酸性、湿热的运行环境中，钛合金仍然不可以避免发生氧化或腐蚀，降低了电堆性能。目前解决这一问题的有效方法是在金属双极板表面制备耐蚀性和导电性较好的防护涂层。

4、现在常见的金属双极板防护涂层主要有贵金属涂层、金属陶瓷涂层、导电聚合物涂层和碳涂层等。贵金属涂层虽然防护性能优异，但成本过于高昂；金属陶瓷涂层耐蚀性和导电性优异，但目前常用的物理气相沉积(如磁控溅射)制备的单一金属陶瓷涂层缺陷不可控、与基体结合力差；导电聚合物涂层在电堆的启停过程和长期服役中稳定性较差，同时与基体的结合力也不满足要求；以非晶碳为主的碳涂层具有优异的耐蚀性与导电性，两者的平衡可通过调控涂层中sp2杂化和sp3杂化的比例实现，但非晶碳涂层也存在与基体结合力差的问题。

5、现有的研究都是在非晶碳涂层与基体间增加金属过渡层，利用非晶碳与金属过渡层间的元素扩散形成扩散层，从而达到提高碳膜结合力的目的。

6、提供一种新型质子交换膜燃料电池金属双极板防护涂层的制备方法以实现双极板材料优异的使用性能，对于推动质子交换膜燃料电池的发展具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板防护涂层的制备方法，以解决解决非晶碳涂层与金属基体结合力较差的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种具有防护涂层的质子交换膜燃料电池金属双极板，通过在纯钛表面磁控溅射非晶碳涂层得到；所述纯钛为增材制造的纯钛。

4、作为本发明的进一步优选，所述纯钛为选区激光熔化成型(slm)纯钛。

5、作为本发明的进一步优选，所述纯钛的选区激光熔化成型参数如下：激光功率225w，扫描速率1000mm/s，扫描间距为120μm，层厚度为30μm。

6、本发明还提供上述具有防护涂层的质子交换膜燃料电池金属双极板的制备方法，包括以下步骤：通过磁控溅射在增材制造的纯钛表面沉积获得非晶碳涂层，得到具有防护涂层的质子交换膜燃料电池金属双极板；所述纯钛为增材制造的纯钛。

7、作为本发明的进一步优选，所述纯钛为选区激光熔化成型(slm)纯钛。

8、作为本发明的进一步优选，制备方法包括以下步骤：

9、(1)使用砂纸打磨选区激光熔化(slm)成型纯钛，然后在超声清洗器中依次使用丙酮和无水乙醇清洗打磨完成的钛基体，清洗完成后在真空干燥箱中干燥待用；

10、(2)将干燥完成的纯钛放入高真空多靶磁控溅射镀膜仪沉积室中，以石墨靶为碳源，氩气为保护气。关闭沉积室进行抽真空步骤；

11、(3)待沉积室抽真空完成后，启动加热器，将沉积台温度升高至预设沉积温度，然后均热；

12、(4)均热完成后向沉积室中通入氩气，并设定沉积压力，进行进气控压步骤；

13、(5)进气控压完成后，开启碳靶电源，开启偏压电源，开启碳靶挡板，此时样品挡板保持关闭，进行预溅射，去除靶材表面杂质；

14、(6)预溅射完成后开启样品挡板，进行正式溅射，以获得非晶碳涂层；

15、(7)沉积完成后关闭加热器电源，沉积室温度降低至室温后取出样品。

16、更优选的，所述步骤(1)中，纯钛的选区激光熔化(slm)成型工艺参数如下：激光功率为225w，扫描速率为1000mm/s，扫描间距为120μm，层厚度为30μm。

17、更优选的，所述步骤(3)中，沉积室抽真空至6×10-4pa。

18、更优选的，所述步骤(4)中，预设沉积温度分别为450℃-750℃，升温速率10-30℃/min，均热时间300s。

19、更优选的，所述步骤(5)中，氩气流量为20sccm，沉积压力为0.6pa。

20、更优选的，所述步骤(5)中，碳靶电源输出功率为60w，偏压电源输出偏置电压为-60v，预溅射时长为300s。

21、更优选的，所述步骤(6)中，正式溅射时长为1-4h；更进一步的优选为7200s。

22、本发明进一步提供上述具有防护涂层的质子交换膜燃料电池金属双极板在质子交换膜燃料电池中的应用。

23、本发明以增材制造成型的纯钛为双极板材料，其较小的晶粒尺寸、大量位错与晶界为元素的扩散提供了更多途径，进而有利于扩散层的快速形成，实现非晶碳涂层与钛基体的良好结合。

24、本发明公开了以下技术效果：

25、本发明以增材制造成型的纯钛为双极板材料，通过磁控溅射在增材制造纯钛表面沉积得到非晶碳涂层，实现了碳元素向钛基体内部扩散，在非晶碳涂层与钛基体之间得到了由钛和碳组成的过渡层，从而提高了非晶碳涂层与金属基体之间的结合力。

26、本发明的涂层制备过程不需要使用金属靶材沉积非晶碳与钛基体间的过渡层，在保证材料优异性能的基础上，简化了制备工艺，有效降低了资源消耗。

技术特征：

1.一种具有防护涂层的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于，通过在纯钛表面磁控溅射非晶碳涂层得到；所述纯钛为增材制造的纯钛。

2.根据权利要求1所述的具有防护涂层的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于，所述纯钛为选区激光熔化成型纯钛。

3.根据权利要求2所述的具有防护涂层的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于，所述纯钛的选区激光熔化成型的激光功率为225w。

4.如权利要求1所述的具有防护涂层的质子交换膜燃料电池金属双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：通过磁控溅射在增材制造的纯钛表面沉积获得非晶碳涂层，得到具有防护涂层的质子交换膜燃料电池金属双极板；所述纯钛为增材制造的纯钛。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述纯钛为选区激光熔化成型纯钛。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述纯钛的选区激光熔化成型的激光功率为225w。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述预设沉积温度为450℃-750℃。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述石墨靶的电源输出功率为60w。

10.如权利要求1所述的具有防护涂层的质子交换膜燃料电池金属双极板在质子交换膜燃料电池中的应用。

技术总结本发明公开了一种质子交换膜燃料电池金属双极板防护涂层的制备方法，涉及质子交换膜燃料电池技术领域。本发明以增材制造成型的纯钛为双极板材料，通过磁控溅射在增材制造纯钛表面沉积得到非晶碳涂层，实现了碳元素向钛基体内部扩散，在非晶碳涂层与钛基体之间得到了由钛和碳组成的过渡层，从而提高了非晶碳涂层与金属基体之间的结合力。本发明的涂层制备过程不需要使用金属靶材沉积非晶碳与钛基体间的过渡层，在保证材料优异性能的基础上，简化了制备工艺，有效降低了资源消耗。技术研发人员：任延杰,韩林虎,李泓伸,周小包,潘太军,曹丽丽,刘朝坤受保护的技术使用者：浙江科技大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4