[发明专利]不锈钢表面沉积TiNx

说明书

本发明为不锈钢表面沉积TiN_xO_y涂层双极板材料及其制备方法与应用。一种表面改性的304不锈钢双极板材料，所述表面改性的304不锈钢双极板材料的制备方法为：以304不锈钢为基体，使用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术基体表面沉积TiNxOy涂层，获得耐腐蚀性高的薄膜不锈钢双极板。以及所述表面改性的304不锈钢双极板材料应用于质子交换膜燃料电池双极板。本发明的涂层不仅生产成本低、生产周期较C涂层短、涂层表面具有超高硬度、超高弹性模量,同时具有较金属氮化物更好的耐蚀性且具有良好的导电性能，能够满足质子交换膜燃料电池双极板美国DOE 2025应用标准。

技术领域

本发明涉及一种表面改性的304不锈钢双极板及其制备方法与应用，即通过闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术在304不锈钢表面沉积TiN_xO_y/304高耐蚀性涂层，该涂层不仅具有生产成本低、超高的耐腐蚀性能和良好的导电性能，能够满足质子交换膜燃料电池双极板应用标准。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的新型的清洁能源装置，它具有不受卡诺循环影响，能量转化率高，污染小等特点。双极板是质子交换膜燃料电池中最主要的一个部件，它不仅占了整个燃料电池80％的重量和几乎全部的体积，而且占了整个燃料电池堆45％的成本。因此双极板的好坏与燃料电池的效率及应用密切相关。优异的双极板应具有极好的阻气性和导电性、良好的机械性能、优异的耐腐蚀性能和低成本。石墨具有优异的导电性和化学惰性，因此过去一直用石墨材料作为双极板材料，但是石墨的易碎、透气性以及差的机械加工性能使质子交换膜燃料电池质量很大并且成本高，阻碍了其进一步的商业化应用。而不锈钢具有优异的机械性能和导电性，以及较低的加工成本。但是在质子交换膜燃料电池环境下，不锈钢表面会被腐蚀生成钝化膜，使得气体扩散膜和双极板之间的接触电阻增加，影响整个电池堆的工作效率。因此，为了使其作为金属双极板应用，人们非常希望研制一种具有高耐蚀性并且符合燃料电池实际应用的导电涂层。提高其耐蚀性，降低其界面接触电阻(ICR)，各种类型的涂层材料，如过渡金属氮化物，包括ZrN，TiN和TAN，这些已被应用于金属表面。虽然过渡金属氮化物涂层不锈钢具有较好的耐蚀性，但其高腐蚀电流密度在10^-6～10^-5A/cm²范围内仍不适用，很难应用到实际中。为此，我们研究了一种三元涂层双极板，在实际的电池环境下更具有耐久性。

氮氧化钛(TiN_xO_y)在酸性介质与高电位中具有较高的耐腐蚀性能。试验中发现，随着TiN_xO_y中的氧含量增加时，TiN_xO_y涂层的电导率会从良好变化到较差，在高电位下酸性介质耐腐蚀性能会越来越高，。TiN_xO_y的电导率和耐腐蚀性能与氧含量的关系通过闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术来控制，通过调整氧气的通入量，进而控制氧等离子体的含量，这是一种非常理想的沉积技术。因此，在TiN中加入少量氧原子制备的TiNxOy涂层同时具有良好的导电性能和超高的耐蚀性，能够满足质子交换膜燃料电池双极板应用国际标准。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种表面改性的304不锈钢双极板材料及其制备方法与应用，以304不锈钢为基体，对基体进行研磨抛光前处理，在其表面利用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术，沉积TiNxOy涂层，该涂层不仅生产成本低、生产周期较C涂层短、涂层表面具有超高硬度、超高弹性模量，同时具有较金属氮化物更好的耐蚀性和良好的导电性能，能够满足质子交换膜燃料电池双极板应用标准。改性处理后的金属氮氧化物薄膜双极板耐腐蚀性能优于先前单纯制备金属氮化物薄膜的双极板，腐蚀电位、腐蚀电流、界面接触电阻等性能满足美国DOE 2025标准要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：