[发明专利]一种用于燃料电池钛基材双极板的复合涂层及其制备方法

说明书

本发明的一种用于燃料电池钛基材双极板的复合涂层，包括：覆盖在钛基材双极板外表面的氧化钛膜层，呈点状掺杂在氧化钛膜层外表面的导电耐蚀颗粒；在氧化钛膜层的外表面上，覆盖在导电耐蚀颗粒之间空隙区域的、由非金属元素和/或金属元素沉积而成的导电保护层；非金属元素包括氮、碳、磷中的一种，金属元素为钛、钽、铌、铬中的一种或多种混合；导电耐蚀颗粒为石墨、贵金属纳米团簇、金属碳化物纳米颗粒中的一种或两种。本发明提高了涂层与基材的结合，降低了钛合金与碳纸的接触电阻，加速腐蚀超过200h后接触电阻仍保持稳定，又降低了钛合金金属极板的成本，为实现钛合金金属极板量产提供了技术可能。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池金属双极板涂层技术领域，具体涉及一种用于燃料电池钛基材双极板的复合涂层及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）以氢气为燃料进行发电，不受卡诺定理的限制，能量转换效率高，环境污染小，结构简单，运行平稳，并且产物为水无污染，对环境十分友好，可在很大程度上改善环境和资源问题，其应用范围已经包括汽车，无人机、固定电站等，在各个领域均具有广阔的应用前景。而在质子交换膜燃料电池电堆中燃料电池双极板发挥着重要作用，在电堆中承担着收集电子、分配反应气体、排出反应生成水、支撑膜电极等功能，占据了电堆重量的80%以及电堆成本的30%以上，对燃料电池电堆性能具有重要影响。

而质子交换膜燃料电池双极板材料主要为金属、石墨以及复合材料等。相较于石墨双极板，金属双极板具有优异的导电导热性以及良好的机械性能，以金属双极板装配而成的电堆具有功率密度高、冷启动快、抗振性能好、适合于大批量制造等优势，已作为燃料电池极板材料的首选。金属双极板一般由不锈钢、钛合金、铝合金等直接加工而成，其成本低、功率高、耐抗压。其中钛合金的密度低、导电性和成形性好，与不锈钢基材相比，钛基材可以降低在质子交换膜燃料电池氢电极侧的高温及酸性环境下易发生基材腐蚀溶解，减少对催化剂污染，提高电堆寿命。但钛合金表面易于形成的TiO₂氧化物大大增加了镀层极板的表面接触电阻。

现有技术中通常会在钛合金流场板的表面沉积金属氮化物、贵金属镀层金属碳化物、石墨镀层等表面改性材料。通过耐蚀的贵金属涂层来实现钛合金极板的导电性和耐蚀性，材料成本昂贵，且在燃料电池长时间运行过程中，金属元素氧化带来的涂层失效问题无法根本解决，无法满足燃料电池长寿命的应用。

发明内容

为了克服现有的涂层材料存在的不足，本发明提供了一种用于燃料电池钛基材双极板的复合涂层及其制备方法，以解决现有技术中存在的燃料电池钛基材双极板表面涂层接触电阻大、涂层成本高等问题。

本发明的一种用于燃料电池钛基材双极板的复合涂层，其特征在于：包括：覆盖在所述钛基材双极板外表面的氧化钛膜层，呈点状掺杂在所述氧化钛膜层外表面的导电耐蚀颗粒；在所述氧化钛膜层的外表面上，覆盖在所述导电耐蚀颗粒之间空隙区域的、由非金属元素和/或金属元素沉积而成的导电保护层；

所述非金属元素包括氮、碳、磷中的一种，所述金属元素为钛、钽、铌、铬中的一种或多种混合；

所述导电耐蚀颗粒为石墨、贵金属纳米团簇、金属碳化物纳米颗粒中的一种或两种，可以在燃料电池酸性高温条件下保持性能稳定；所述导电耐蚀颗粒的粒径为100～5000nm，其在所述氧化钛膜层外表面的覆盖率为5%～100%。

进一步地，所述钛基材为纯钛、钛合金、掺杂钛金属中的一种。

进一步地，所述导电保护层的厚度为1～200nm。

本发明的一种用于燃料电池钛基材双极板的复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采用包括但不限于酸氧化、电化学反应、化学气相沉积等方法，在洁净的钛基材双极板的外表面形成一层致密的氧化钛膜层；