[发明专利]一种质子交换膜水电解池改性钛双极板及其制备方法

说明书

本发明公开了一种制备改性质子交换膜水电解池钛双极板的方法，属于质子交换膜水电解池技术领域。该方法具体包括以下步骤：S1)对钛基底进行丙酮除油处理，取出后在乙醇、去离子水中超声清洗掉表面残余杂质，后进行酸处理，再用去离子水清洗，最后干燥处理；S2)对S1)处理后的所述钛基底采用热喷涂法处理，得到表面有钽涂层的钛双极板；S3)对S2)得到的所述钛双极板采用粉末沉浸反应辅助涂层法渗氮处理，得到表面有钽/氮化钛复合涂层的钛双极板。本发明通过在金属氮化物粉末中通过粉末埋入反应辅助涂覆渗氮使得钛片表面形成致密均匀的导电涂层后，提升了钛片的耐腐蚀性和导电性。

技术领域

本发明属于质子交换膜水电解池技术领域，具体涉及一种质子交换膜水电解池改性钛双极板及其制备方法。

背景技术

双极板又称作流场板，是PEM水电解电解槽的关键材料之一，占整个电解槽成本的40％左右，降低双极板成本是控制电解槽成本的关键。相比于其他材料的双极板，金属双极板具有机械性能稳定、阻气性能好、易于加工和成本较低等优点，在高功率电堆中应用广泛。然而在电堆运行过程中，恶劣的工作环境会导致金属双极板发生表面腐蚀和钝化，被腐蚀的金属离子对膜电极有一定的毒害作用，致使电堆性能下降。早期的水电解池中，经常直接使用易形成钝化膜的材料来制作双极板，以保护金属不受进一步的腐蚀。但双极板的导电性会因钝化膜的存在而降低。因此，依靠金属材料的自身特性来同时满足较高的耐蚀性和较低的接触电阻的需求是难以实现的。其中一种方法是通过磁控溅射一层贵金属涂层(Au、IrO₂、Pt),但应用成本高；还有一种通过电化学渗氮处理提高基体材料的导电性与耐腐蚀性的方法，但这种方法存在工艺技术复杂，成本较高等问题。因此急需寻找一种简单高效低成本且稳定的氮化处理方法代替传统的电化学渗氮工艺。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种质子交换膜水电解池改性钛双极板及其制备方法，以克服现有技术中的不足。具体地，本发明面对PEM水电解槽的双极板在阳极高电位下氧化，内阻增高，从而导致电堆功率效率降低的问题，采用了热喷涂与PIRAC渗氮组合制备成高导电、耐腐蚀复合涂层。同时，通过在氮化铬粉末中通过包埋渗氮使得钛片表面形成致密均匀的导电涂层后，提升了钛片的耐腐蚀性和导电性。本发明制备的高导电的钽/氮化钛涂层结果表明，其耐腐蚀性能大大提升，在0.5mol/L H2SO4+2ppm F-溶液中，其腐蚀电流密度为0.124μA/cm2，导电性较基体也有很大提高，其接触电阻在143.6N cm-2下达到0.6mΩcm2。

根据本发明技术方案的第一方面，提供一种制备改性质子交换膜水电解池钛双极板的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

S1)对钛基底进行丙酮除油处理，取出后在乙醇、去离子水中超声清洗掉表面残余杂质，后进行酸处理，再用去离子水清洗，最后干燥处理；

S2)对S1)处理后的所述钛基底采用热喷涂法处理，得到表面有钽涂层的钛双极板；

S3)对S2)得到的所述钛双极板采用粉末沉浸反应辅助涂层(PIRAC)法渗氮处理，得到表面有钽/氮化钛复合涂层的钛双极板。

进一步地，所述S1)中的钛基底为工业纯钛片TA1；

酸处理的时间为10～15s；酸处理的溶液为HF、HNO₃和H₂O的混合溶液，三者之间的体积比为：1:8～12:20～30。该酸蚀时间有利于优化钛片表面的形貌，便于热喷涂浆料与钛基体的结合；该溶液配比有利于控制反应的速度，并且防止NO_x气体的产生，危害作业人体。

进一步地，所述S2)的具体步骤为：

S2.1)配置喷涂浆料，备用；

S2.2)将S2.1)配置得到的喷涂浆料放入搅拌器中，搅拌一段时间后取出，得到质地均匀且具有一定粘度的悬浮液；