[发明专利]质子交换膜燃料电池金属钛双极板表面Ti4

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池金属钛双极板表面Ti₄O₇涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)以纯Ti板作为基材，对基材进行打磨、超声清洗等表面清洁工作；(2)制备TiO₂薄膜：将清洁后的Ti板放入高温管式炉中在700℃下于空气中煅烧氧化420分钟，使Ti板基材表面得到金红石型TiO₂薄膜；(3)制备还原剂：将纳米TiO₂粉末与Ti粉按比例进行混合，并用研钵研磨均匀得到还原剂；(4)制备Ti₄O₇涂层：将步骤(2)处理后的Ti板基材埋入还原剂中放入真空管式炉在惰性气体的保护下于880℃煅烧10分钟，即得到质子交换膜燃料电池金属钛双极板表面Ti₄O₇涂层。本发明方法不需要用到H₂作为还原剂，整个操作过程简单、安全，反应时间短，生产效率高，而且制备得到的Ti₄O₇涂层与基体结合性好，涂层致密完整。

技术领域

本发明属于金属双极板表面处理技术领域，具体是一种质子交换膜燃料电池金属钛双极板表面Ti₄O₇涂层的制备方法。

背景技术

燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术，它能直接将燃料中的化学能转变为电能。燃料电池的工作效率高、排出污染物少，被称为新一代的清洁能源。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是最具发展前景之一的第五代燃料电池，其以H₂、O₂为原料，H₂O为唯一的副产物，因此PEMFC以清洁高效著称。PEMFC主要由双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜组成，其中双极板的重量与成本占总PEMFC的大部分，是非常重要的多功能部件。然而，在PEMFC的内部工作环境温度约为70～80℃，且内部溶液中存在SO₄^2-、F^-、SO₃^2-、HCO₃^-等腐蚀性离子，这对金属双极板的性能及使用寿命造成了很大威胁。金属双极板在遇到腐蚀溶液时会在表面生成钝化膜以保护金属基体，但这种钝化膜在提高双极板耐蚀性的同时降低了其表面接触电阻，如何平衡双极板耐蚀性与导电性成为了提升PEMFC性能与寿命的难题。

一般来说，在双极板表面制备耐蚀导电的涂层是最有效的解决方法之一。Ti₄O₇是Magnéli相中导电性最高的物质，其导电性能达到1995S·cm^-1，比石墨高727S·cm^-1。很多研究者们提出了关于Ti₄O₇颗粒、纳米棒、纳米纤维等多种形态的制备方法，但关于Ti₄O₇涂层的制备方法却非常少，这与Ti₄O₇相敏感的形成条件有关。已知晓的Ti₄O₇制备条件大多需要用到H₂作为还原剂，温度条件在800℃以上，还原时间为3～6h，苛刻的形成条件限制了Ti₄O₇涂层的发展。因此，提出一种安全高效、操作过程简单、反应时间短的Ti₄O₇涂层制备方法是促进Ti₄O₇涂层在PEMFC双极板腐蚀防护应用上的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种质子交换膜燃料电池金属钛双极板表面Ti₄O₇涂层的制备方法，该方法得到的Ti₄O₇涂层完整、无明显缺陷，与基体结合紧密，保证了长期使用的稳定性，并且该方法使用的原材料成本低且容易获得，操作过程简单、反应时间短、安全高效，没有用到H₂等危险气体，无CO等有害气体的排放，节能环保。