[发明专利]一种钛合金双极板表面氮化物涂层的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种钛合金双极板表面氮化物涂层的制备方法，所述制备方法在钛合金表面制备一层连续且致密的金属氮化物涂层。经过改性后基体表面致密的氧化膜被导电性良好的氮化物涂层所代替，因此在150N cm^‑2压紧力下，钛合金双极板与气体扩散层之间的界面接触电阻(ICR)由改性前的55mΩcm²降低至6mΩcm²。在模拟PEMFC工作环境下，改性后的钛合金双极板腐蚀电流密度降低至0.01μA cm^‑2，相比于改性前的耐腐蚀性能有所改善。本方法相比于磁控溅射、多弧离子镀等沉积金属氮化物涂层的方法具有工艺简单、成本较低、涂层结合力好等优点，有利于促进双极板材料商业化生产。

【技术领域】

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及一种钛合金双极板表面氮化物涂层的制备方法及其应用。

【背景技术】

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种非常有发展潜力的能源，这与它功率密度高、清洁无污染、工作温度低、启动快、噪音低等特点有关。双极板是质子交换膜燃料电池中重要组件之一，其主要功能是分配燃料和氧化剂、排除产生的水和热量、导通电流和支撑膜-电极组件。这就要求双极板材料具有一定的机械强度，良好的耐腐蚀性和导电性。传统石墨双极板由于其脆性和较高的生产成本制约了它的发展。金属材料被认为是双极板材料的大势所趋。其中，钛双极板具有较低的成本、较好的可制造性、较高的强度和良好的耐腐蚀性能，但钛表面附着的致密氧化膜增加了与扩散层之间的界面接触电阻(ICR)。因此，提高钛双极板的导电性能成为国内外许多科研工作者的主要研究方向。

因此，有必要研究一种钛合金双极板表面氮化物涂层的制备方法及其应用来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种钛合金双极板表面氮化物涂层的制备方法及其应用，本发明工艺简单、成本较低且能在钛合金表面制备一层耐腐蚀性能和导电性能良好的金属氮化物涂层。

一方面，本发明提供一种制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)通过物理方法除去钛合金表面的氧化膜，得到钛合金基体材料；

(2)准备高纯Cr₂N粉末；

(3)将步骤(1)得到的钛合金基体材料和步骤(2)准备的高纯Cr₂N粉末一起埋入刚玉坩埚中，用耐高温粘结剂密封刚玉坩埚，然后放入干燥箱中烘干粘结剂；

(4)将步骤(3)中烘干粘结剂后的刚玉坩埚放入真空管式炉中，在N₂气氛中加热至900～1000℃，恒温1～4h后随炉冷却至室温，最终得到具有氮化物涂层的钛合金基体。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(1)具体为：采用机械抛光去除钛合金表面存在的氧化膜，然后分别用无水乙醇、丙酮和去离子水对氧化膜进行超声处理30min，去除油脂和污垢，烘干样品，放入无水乙醇中备用。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述机械抛光具体为：选用400～1500目SiC砂纸打磨。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(4)中真空管式炉在升温前用高纯氮气进行三次以上抽气和充气，加热和保温时管式炉内气压保持在0.1～0.5bar，升温速率为5℃/min。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(3)中干燥温度为120℃，时间为2h。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(4)中具有氮化物涂层的钛合金基体上的氮化物涂层为连续致密的金属氮化物涂层，外观为金黄色，涂层厚度为1～3μm。