[发明专利]一种用于质子交换膜燃料电池不锈钢双极板防护的杂化有序介孔碳涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于质子交换膜燃料电池不锈钢双极板防护的杂化有序介孔碳涂层的制备方法，属不锈钢双极板防护涂层制备技术领域。

背景技术

双极板是质子交换膜燃料电池的重要组成部分，占总重量的将近80%及总费用的50%。能够作为双极板的材料必须具有高电导率、高耐蚀性、良好的机械强度、低透气性和价格低廉等特点。近年来，最新研究表明由于不锈钢在机械强度、耐蚀性、硬度、表面抛光和清洁等方面的优势，已成为金属双极板的最佳选择。但是，不锈钢作为双极板依然存在的一些问题，主要难题是在腐蚀介质中长期工作后，金属双极板会在表面形成了一层钝化膜，防止金属进一步腐蚀，但这层钝化膜却使得表面接触电阻增大，而且随着工作时间的增长，钝化层会越来越厚。另一个问题是，在弱酸性的条件下存在SO₄^2?，Cl^?，F^?等离子，使得不锈钢在使用中会被腐蚀和溶解，以至于污染膜电极。金属的钝化和溶解行为无疑会使部分电能转化为热能耗散而影响燃料电池的总效率。各种涂层被用作保护金属双极板，例如碳涂层和金属涂层。碳膜涂覆的不锈钢由于价格低廉、体积小，被认为是用作质子膜燃料电池的双极板的良好材料。许多研究表明，当在钝化膜已经完全除去的金属双极板上覆盖碳涂层时，界面接触电阻明显减少[Tomokazu Fukutsuka, Takayuki Yamaguchi, Shin-Ichi Miyano, Yoshiaki Matsuo, Yosohiro Sugie, Zempachi Ogumi, Journal of Power Sources 174 (2007) 199–205]。

因此，各种碳材料，如石墨，导电聚合物，类金刚石碳和有机自组装材料，被用作双极板的碳涂层而被广泛研究。Fukutsuka表示通过等离子辅助气相沉积方法[T. Fukutsuka, T. Yamaguchi, S.I. Miyano, Y. Matsuo, Y. Sugie, Z. Ogumi, J. Power Sources 1 (2007) 199-205.]在不锈钢(304SS)表面生成碳膜，与沉积前相比具有高的导电性，而且在碳层与304SS间没有形成钝化膜，但是在质子交换膜燃料电池工作条件下，沉积碳膜的304SS呈现较强的极化现象。Chung [ C.Y. Chung, S.K. Chen, P.J. Chiu, M.H. Chang, T.T. Hung, T.H. Ko, J. Power Sources 1 (2008) 276-281.]等系统研究了碳涂层304SS作为质子膜燃料电池双极板的腐蚀行为，发现碳膜表现出与石墨电极相似的化学稳定性，可以使304SS在质子膜燃料电池的腐蚀环境中得到保护。Feng等[Kai Feng, Xun Cai, Hailin Sun, Zhuguo Li, Paul K. Chu, Diamond & Related Materials 19 (2010) 1354-1361. Kai Feng, Yao Shen, Hailin Sun, Dongan Liu,Quanzhang An, Xun Cai, , Paul K. Chu, i n t e r n a t i o n a l j o u rna l o f hydrogen energy 3 4 ( 2 0 0 9 ) 6771 – 6777] 通过非平衡磁控溅射在316L不锈钢样品表面涂覆致密、连续、无定形的碳膜，其性能优于传统的石墨双极板。此碳膜的疏水性和界面接触电阻均优于石墨，而且由于其具有好的化学惰性，明显的增强了包覆316L不锈钢的耐腐蚀性。

一种新的方法是通过旋涂法在不锈钢基板上形成介孔碳薄膜，碳基复合膜表现出最佳的防护性能，在模拟的燃料电池环境下其相应的电位极化过程非常稳定。[T. Wang, J.P. He, D. Sun, J.H. Zhou, Y.X. Guo, X.C. Ding, S.C. Wu, J.Q. Zhao, J. Tang, Corrosion Science 53 (2011) 1498-1504.] 介孔碳薄膜虽然有很多优点，如良好的防护性能，但因为大量二氧化硅的存在，需要进一步提高电导性。许多研究表明，在碳材料中掺杂供电子或吸电子元素，例如N，P，B，可以改变碳膜的电学性能，并在碳膜表面形成附加功能基团。多数有序介孔碳材料是通过后处理掺杂其他原子，此方法很简单，但是在含量和掺杂物分布方面都不好控制，使有序介孔结构部分或彻底破坏，这在应用中是非常严重的不足。

发明内容