本技术属于燃料电池技术领域,介绍了一种创新的多层涂层不锈钢双极板制备技术及其在质子交换膜燃料电池中的运用。该技术通过在不锈钢基体上设置多层涂层,提升了双极板的性能,增强了其在燃料电池中的稳定性和效率。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高功率密度、低工作温度、低噪音,特别是零排放等突出的优势受到全球关注,在未来的社会发展和降低能耗方面有望发挥重要作用,在电动汽车、便携式发电机、微型飞机以及各种储能系统等方面具有巨大的应用前景。双极板作为PEMFC的关键部件之一,在分离单体电池、分配反应物气体、传导电流、去除热量和水分等方面发挥着不可替代的作用。此外双极板通常至少占总电池堆重量和体积的70%,约占总电池堆成本的20%。因此,通过开发低成本、轻量化和高可靠性的双极板来促进PEMFC的商业化是非常重要的。理想的双极板须具有较好的机械加工性能、较强的力学性能以及优良的耐腐蚀性能和导电性能。
石墨基双极板具有良好的导电性和耐腐蚀性,但机械强度、透气性和制造成本等方面存在不足,限制了其大规模工业生产。金属及其合金材料的比强度高、加工性能良好、导热和导电性能强以及制备成本低廉,是比较理想的双极板基体材料。但在质子交换膜燃料电池高温潮湿且偏酸性的工作环境中,然而,在质子交换膜燃料电池工作环境(如低PH、高湿、约80℃的运行温度)中,不锈钢、钛等成本较低的金属双极板同时存在氧化介质和还原介质,在阳极一侧,金属双极板可能会缓慢地发生电化学腐蚀,腐蚀产生的多价阳离子可能会扩散到质子交换膜中,造成膜的质子传导能力下降;在阴极一侧,双极板可能会在富氧环境下表面发生钝化而引起表面接触电阻的增加。因此,应用金属双极板要解决两方面问题:一是在质子交换膜燃料电池酸性体系下的电化学腐蚀问题;二是在金属表面钝化引起导电性降低的问题。针对以上问题,发展兼具耐腐蚀和高导电性的防护涂层及其制备方法非常重要,是金属双极板在燃料电池中应用的关键。
实际操作中,通过在金属双极板表面制备涂层能够有效地提高耐腐蚀性能和导电性能,相比于单层涂层,多层涂层更有利于双极板性能的提升,能减少涂层中存在针孔、大颗粒,或柱状晶,从而增强涂层稳定性。王艳丽等人通过采用分段退火处理在不锈钢上先制备有机碳层,随后利用歧化反应在熔融盐中制备TiC涂层,最终得到连续致密的TiC涂层。(申请公布号:CN115491675种用于氢燃料电池金属双极板的多层梯度涂层Cr/CrN/(Ti,W)3
AlC2
及其构建方法)。虽然得到的TiC涂层完整致密,但并未报道在燃料电池工作条件下的耐腐蚀性和导电性能。郑莉莉等人通过磁控溅射法和电弧粒子技术在不锈钢基底表面制备多层梯度涂层,Cr为过渡层,CrN为连接层(Ti,W)3
AlC2
为外层(申请公布号:CN116536626一种质子交换膜燃料电池薄钛双极板的表面改性方法)。该涂层制备工艺较为复杂,虽然成功获得了多层涂层,该涂层的抗腐蚀性能和导电性能不够理想。在模拟燃料电池工作条件(80℃,0.5mol/L H2
SO4
+2ppmHF)下,涂层后腐蚀电流密度下达到0.78μA/cm2
,接触电阻达到8.25mΩ·cm2
。
黎焕明等人在不锈钢表面制备金属内层(Au、Ag、Pt)/过渡层(Ti、Cr、Nb、Ta、W、Mo、C、N、Si的一种或多种)/界面扩散层(Ti、Cr、Nb、Ta、W、Mo的碳化物或氮化物,或非金属C、Si)/表面导电层(Au、Ag、Pt)多层涂层(申请公布号:CN 112795886 A一种用于金属双极板成形的导电耐蚀预涂层及其制备方法)。制备的Ti/TiN/C涂层腐蚀电流密度为4.5×10-5
A/cm2
(1.6V vs.SCE,10h),在0.6MPa的压紧力下,涂层与碳纸之间的界面接触电阻为3.8mΩ·cm2
。该涂层虽然具有良好的导电性能,但是耐腐蚀性能却达不到DOE的标准(腐蚀电流密度<1.0μA/cm2
)。侯明等人通过离子镀方法在不锈钢表面制备过渡层(Cr、Ti、Ni、Cu、Al、V、Co、Ag、Au中的一种或二种以上)/最外层(Cr、Ti、Ni、Al、V一种或两种以上的金属氮化物)涂层。改性后的涂层腐蚀电流密度为0.12μA/cm2
,在1.4MPa的压紧力下,涂层与碳纸之间的界面接触电阻为5.17mΩ·cm2
(申请公布号:CN 106684394 A一种质子交换膜燃料电池不锈钢双极板表面改性方法);但是,制备的涂层表面存在裂纹,降低了涂层在服役工况下的稳定性。
由上可知,现有的多层涂层制备技术依然存在制备工艺复杂、或涂层致密性不足、耐腐蚀性或导电性较低、或稳定性不足等缺点。
实现思路