[发明专利]一种燃料电池极板基材电辅助梯度涂层制备装置及方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池极板基材电辅助梯度涂层制备装置及方法，包括传送带，电流控制器，和多个辊压组件，所述的电流控制器分别连接传送带和各辊压组件，所述的辊压组件包括基辊、辊套和调节装置，所述的辊套套在基辊上，辊套的成分为待涂覆材料；金属基板置于传送带上，利用电流在金属基板与辊套间产生的焦耳热熔化待涂覆材料，并通过传送带的运动将材料涂覆在金属基板表面，通过设置多个涂层涂覆工位，得到梯度涂层的有效制备。与现有技术相比，本发明具有在于涂层表面平整，力学性能好，可以一次成型，加工方便且效率高等优点。

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种燃料电池极板电辅助梯度涂层制备装置及相应高性能梯度涂层制备方法。

背景技术

氢燃料电池作为一种新型能源装置，使用氢气作为燃料，氧气作为氧化剂，唯一产物是水，具有高效清洁的特点。在汽车、电子产品和国防军事等领域具有广泛的应用前景。其中，双极板作为燃料电池的重要组成部分之一，对于燃料电池的输出性能有着显著影响。双极板主要使用石墨、金属两种基材，其中金属材料因其具有较好的机械性能及低成本等优势，已成为燃料电池双极板的主要材料。双极板一般在高温湿度的酸性环境中工作，需同时具有良好的耐蚀性及导电性。目前，采用单一的金属材料(如不锈钢或钛)制造的极板，难以兼顾耐蚀性与导电性，使用寿命有限。针对这一问题，较广泛的解决方案是在金属极板表面镀覆涂层，例如在钛极板表面涂覆碳涂层，钛极板承担耐蚀功能，碳涂层承担导电功能，从而兼顾耐蚀性与导电性。

目前国内大多金属极板的制造，主要通过先冲压再镀膜，此流程生产效率低，不利于大规模制造，且成本较高。一种更理想的制造过程是先镀膜再冲压(预涂层)，这样可以大幅度降低成本，但是冲压过程极易造成涂层的破裂，造成涂层失效。以国内目前使用较多的不锈钢极板为例，基材为316L不锈钢，冲压后在其表面通过磁控溅射镀上碳薄膜。采用预涂层的方式，由于磁控溅射制造的碳薄膜较薄且与基体结合强度不高，在冲压过后，薄膜会产生大量裂纹，暴露出来的不锈钢与酸性物质直接接触，产生的有害离子毒化质子膜和催化剂、大幅降低燃料电池的使用寿命。因此，如何提高预涂层的质量，防止冲压过程中涂层的破裂是亟待解决的难题。

表面涂层的制备方法主要包含等离子喷涂、激光熔覆及气相沉积等。等离子喷涂法将原料粉末送入高温等离子焰流中，在熔融或半熔融状态下喷射到基体材料上形成涂层。通过对原料粉末的组合及成分进行控制，等离子喷涂法可以方便的控制粉末涂层的形态和梯度，可制备大尺寸涂层，工艺稳定，沉积效率高。该工艺的缺点在于涂层含有空隙且结合强度低。激光熔覆法以激光为热源，将填充材料(粉末、丝材或板材)和基材表面一起熔凝，在基材表面形成熔覆层。激光熔覆法涂层晶粒细小、组织致密，结合强度高，材料选择性广，可以通过多次熔覆形成梯度涂层，但其制备效率低且涂层表面平整度低。气相沉积法利用气相中发生的物理或化学过程在基材表面成膜，涂层成分可控且结合牢固，但是涂层效率低、厚度一般较薄。

一般情况下，对于异种材料的连接，由于二者热物性及机械性能存在差异，在结合界面处易产生应力集中现象，进而导致开裂。而通过对结合面材料进行功能梯度设计，就可以大大降低应力集中，因此构建梯度层是提高涂层与基材结合强度的重要手段。

经现有文献检索发现，授权公告号为CN104005024A的中国发明专利公开了一种在钛金属表面制备高质量镍基合金涂层的激光熔覆方法，由混合粉压实片预制和激光熔覆处理二个步骤组成。混合粉压实片预制是指将镍基自熔性合金粉末、氧化镧粉末先用球磨机混合均匀,然后烘干,最后在压力机上压制成片,激光熔覆处理是指将压制片放置在经清洁处理的钛金属表面,然后进行激光熔覆加工。该方法的缺点是：混合粉压实片难以保证压制片表面的平整度，激光熔覆后的涂层表面质量不好；同时，工序较多且对涂层厚度有一定的限制，并且不适用于梯度涂层的制造。