[发明专利]燃料电池金属极板用碳化物和金属氧化物复合涂层及制备

说明书

本发明涉及一种燃料电池金属极板表面碳化物和金属氧化物复合涂层及其制备方法，该复合涂层由金属极板表面向上依次设置的纳米导电金属氧化物层、碳化物层组成。制备步骤主要包括：a、基体表面预处理；b、沉积金属氧化物层；c、沉积碳化物层。与现有技术相比，该方法协同利用金属氧化物作为离子阻挡层和碳化物作为导电层的特性，形成致密涂层避免穿孔、裂纹等缺陷，具有较高的膜基结合力，良好的导电性以及耐腐蚀性能，可以满足燃料电池金属极板的使用要求。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域的制备方法，具体是一种燃料电池金属极板用碳化物和金属氧化物复合涂层方法。

背景技术

燃料电池是一种启动速率快、能量转化效率高、环境友好的发电装置，在交通、电子、国防等领域具有广泛应用前景，近年来已成为研究热点。极板是燃料电池的关键组件之一，约占整个电堆总体积的80％，质量的70％以及成本的30％～40％。极板主要起着支撑膜电极、分配反应气体、收集电流、分隔氧化剂和还原剂、传导热量、排出产物水的作用。燃料电池在强酸性环境下运行，pH值在0～3.5之间，并且含有0.1～1M H₂SO₄、1～5ppm F^-以及少量的其他离子。因此要求极板具有一定的强度、良好的导电性、抗腐蚀性、气体不透过性。

目前用于极板材料主要包括石墨、金属和碳基复合材料。石墨极板具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性，但石墨较脆，加工困难，气体透过率大，这些缺点限制了石墨极板在燃料电池中的广泛应用。碳基复合材料导电导热性能差，加工成本高，易降解。金属材料具有良好的导电导热性、较高的机械强度、抗振动、易成形、成本低等优点。其中不锈钢强度高、耐腐性性能好、适于大批量冲压成形，是制作燃料电池极板的可选材料之一。但金属极板在燃料电池强酸性、高湿、高温条件下运行，容易发生腐蚀，金属离子降解导致催化剂中毒，严重影响燃料电池的使用寿命；同时金属极板在酸性环境下，表面形成一层钝化膜，增大接触电阻，降低燃料电池输出性能。因此，金属极板的广泛应用，需进一步提高其耐腐蚀性和导电性。

现有公开技术中，提高金属极板耐腐蚀性和导电性主要有三种途径：(1)改变金属极板组织成份；(2)金属极板表面改性；(3)金属极板表面制备一层或多层保护膜。提高不锈钢极板基体Cr、Mo元素含量可明显提高极板耐腐蚀性能。通过合金化的方式可以提高金属极板的耐腐蚀性能，但往往使接触电阻增大，降低燃料电池输出性能。专利公开号CN100495779公开了采用渗扩方法在钛及其合金表面获得氮化钛的轻金属极板。专利公开号CN100382367C公开了在不锈钢表面渗入氮碳等元素，在极板表面获得氮化物、碳化物、氮碳化物以提高耐腐蚀性能和导电性能。专利公开号CN102800871A公开了采用闭合场非平衡磁控溅射技术在不锈钢极板表面沉积碳铬阶梯镀层，通过调节Cr靶、C靶电流、氩气流量及基体偏压等工艺参数来调整阶梯镀层成分，大幅提高了金属极板的耐腐蚀性能，降低了接触电阻。专利公开号CN101752575A公开了在金属极板表面制备F或Sb掺杂的氧化锡、氧化铟锡或氧化镉锡作为保护膜，有效提高了金属极板的导电防腐蚀能力。专利公开号CN101496193A公开了一种燃料电池用流场板，其包含使该板亲水的金属氧化物层，以改进通道水的输运，并提高金属极板的防腐蚀能力。然而现有技术中，难以避免针孔缺陷导致耐腐蚀性能降低，薄膜表面平整致密度较低同时物性差异增大了极板与气体扩散层的接触电阻。因此，提出一种平整致密又同时避免针孔缺陷的薄膜，以提高金属极板耐腐性性能和导电性能，满足燃料电池的商业使用要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池金属极板用碳化物和金属氧化物复合涂层，其特征在于，该复合涂层由金属极板表面向上依次设置的纳米导电金属氧化物层、碳化物层组成。