[发明专利]一种金属双极板涂层及其制备方法

说明书

本发明公开一种金属双极板涂层及其制备方法，涉及氢燃料电池、电解水制氢技术,电渗析，双极膜等领域。它采用基材、打底层、抗氧化层、贵金属掺杂层的结构设计，其中打底层沉积在基材上，抗氧化层沉积在打底层上，贵金属掺杂层沉积在抗氧化层上。打底层的主要成分为钛及其铬、镍、铝、钨、铌中的一种或多种；抗氧化层的主要成分为铈、镧、铟、锡、锑、钽、铌、锰、钴、镍中的一种或多种；贵金属掺杂层的成分为钛、石墨或及其掺杂的贵金属钌、铱、铂、金、银中的一种或多种。制得的金属双极板导电性好，耐腐蚀性强，接触电阻小于3mΩ·cm²,腐蚀电流低于0.5μA/cm²,腐蚀电位大于0.5V,加速试验测试双极板涂层寿命超过10000小时，符合大规模使用要求。

技术领域

本发明涉及燃料电池、电解水制氢，电渗析、双极膜技术领域导电极板，特别是涉及一种金属双极板涂层及其制备方法。

背景技术

双极板是氢燃料电池和电解水制氢设备的关键技术，其成本占电堆成本的30-50％，开发性能优异，成本适中，普适性强的双极板极为重要。金属双极板具有导热导电性好、冲压性能优异、质量轻、厚度薄、价格低廉的特点是当下和未来双极板的发展方向。由于燃料电池双极板运行环境恶劣，耐腐蚀和导电性成为金属双极板的核心指标，目前常用的金属材料无法满足双极板的要求，对金属双极板进行涂层处理成为必要手段。

金属双极板沉积涂层包括石墨涂层、碳化物、氮化物涂层、导电有机物涂层、贵金属涂层和复合涂层等。但上述几种涂层都存在耐腐蚀性差、易起皮、随着运行时间增加接触电阻大幅度增加、涂层成本高等问题，严重限制商业化应用的进程。例如目前常规的金属双极板涂层采用过渡层加表面涂层的结构，过渡层通常采用钛合金或铬、镍靶，表面采用导电陶瓷如碳化钛、氮化钛、石墨等材料。由于物理气相沉积固有的缺陷，在使用的过程中，氢离子和羟基自由基会通过缺陷向基体渗透，腐蚀过渡层，从而导致表面涂层失效脱落。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种金属双极板涂层及其制备方法，主要目的在于提高基材与涂层之间的结合力，由于抗氧化层存在，抑制中间层的腐蚀，减缓涂层的剥离，贵金属掺杂涂层的设定降低涂层内部的应力，提高涂层的导电性和耐腐蚀性，大幅度的改善了涂层高电位腐蚀性能和涂层的使用寿命，平衡了涂层的成本。所制备的涂层接触电阻低，腐蚀电流小，腐蚀电压高，满足燃料电池和电解水制氢中双极板，端板，扩散层涂层的要求，以及电渗析，双极膜极板的要求，这些组件共同特点是要求涂层耐腐蚀性能好，导电性良好，其功能主要是起到电子传输的作用。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一种金属双极板涂层，包括依次沉积在基材上的打底层、抗氧化层、贵金属掺杂层，所述打底层沉积在基材上，抗氧化层沉积在打底层上，贵金属掺杂层沉积在抗氧化层上；所述的基材为不锈钢、钛及其合金、铜箔、铝及其合金中的一种；所述的打底层成分为导电、耐电化学腐蚀的金属氧化物，所选的金属成分包括钛及其铬、镍、铝、钨、铌中的一种或多种；所述的抗氧化层成分为导电、耐电化学腐蚀的金属氧化物，所选的金属成分包括铈、镧、锡、锑、铟、钽、铌、锰、钴、镍中的至少一种成分或者多种；所述贵金属掺杂层的成分为钛、石墨及其掺杂的贵金属钌、铱、铂、金、银中的一种或多种。

进一步的，所述的打底层的厚度为100nm-10μm，优选的，打底层的厚度为300nm-1000nm。

进一步的，所述的抗氧化层的厚度为100nm-1000nm，优选的，抗氧化层的厚度为300nm-500nm。

进一步的，所述贵金属掺杂层的厚度为50nm-300nm，贵金属掺杂层中贵金属的掺杂量为双极板涂层总重量的3wt％-10wt％。

本发明还提供了一种上述金属双极板涂层的制备方法，包括如下步骤：

(1)基材预处理：对双极板基材进行除油清洗和磁控溅射设备中进行辉光清洗二次清洗；