[发明专利]一种含涂层的金属双极板及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含涂层的金属双极板及其制备方法。本发明提供了一种含涂层的金属双极板，该金属双极板的涂层导电性、耐蚀性和结合强度较佳，该制备方法有利于提高金属双极板的生产效率。

技术领域

本发明涉及一种含涂层的金属双极板及其制备方法。

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，并且产物为水无污染，对环境十分友好，其应用范围已经包括汽车，无人机、固定电站等。而在质子交换膜燃料电池电堆中双极板发挥着重要作用，其占据了电堆重量的75％以及电堆成本的40％，主要承担着气体分配、热量传导以及一定的支撑作用。而在众多的质子交换膜燃料电池双极板材料当中，包括金属、石墨以及复合材料等。金属双极板具有优异的导电导热性以及良好的机械性能已作为燃料电池极板材料的首选，但是未经表面改性的金属双极板易发生严重腐蚀造成大量离子析出污染催化剂，表面生成的氧化保护膜造成其导电性的急剧下降，因此仍需对金属双极板进行表面改性以提高其导电性和耐蚀性。

为了提高金属双极板的导电性和耐蚀性，研究人员已经开发出了多种类型涂层，包括贵金属涂层、金属碳化物涂层、金属氮化物涂层以及碳基涂层，同时为了提高这些导电耐蚀涂层和金属基材的结合性能并降低基材中的离子析出，通常需要在两者之间沉积一层或者多层金属过渡层。专利文献CN110284102A公开了一种金属碳化物晶体复合涂层及其制备方法，该工艺通过多层复合和元素改性能够极大地提高双极板在酸性工况下的耐腐蚀性，同时具备较高的导电性，但是制备工艺复杂，掺杂元素较多，成分难以控制，无法实现大规模运用。专利文献CN 112795886 A公开了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，该发明通过离子注入和辅助扩散的方式提高了涂层和基材之间的结合性能，扩散处理层消除了涂层缺陷并提高了均匀性，所得到的预涂层具备良好的导电性能和耐蚀性能，同时在薄板冲压成形过程中有效地避免了涂层开裂和剥离现象。但是该工艺对于后期双极板的成型工艺和模具设计以及模具的表面处理等方面造成了巨大的挑战，无法有效解决成型过程中由于塑性变形导致的涂层质量问题。

目前大多数的涂层制备工艺都能在一定程度上保护金属双极板，使其在燃料电池工况下获得一定的使用寿命，但是这些涂层在电堆运行后，都存在界面电阻上升，基体元素流失等问题。能够有效保护双极板的涂层制备工艺又很繁琐，无法稳定化生产，预涂层的工艺会导致涂层在极板后续的成型中发生开裂和剥离，对成型模具提出了更高的要求。影响双极板使用性能的原因仍然的涂层的导电性，耐蚀性和结合强度。

因此，开发一种沉积在金属双极板上具有优异导电耐蚀性能、结合性能的涂层，用于金属双极板改性对提高金属双极板的生产效率，降低金属制造成本实现商业化具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的金属双极板的涂层导电性、耐蚀性和结合强度仍不甚理想，为此，本发明提供了一种含涂层的金属双极板及其制备方法，该金属双极板的涂层导电性、耐蚀性和结合强度较佳，该制备方法有利于提高金属双极板的生产效率。

本发明提供了一种含涂层的金属双极板，其特征在于，其为经热处理的金属双极板前体，所述的金属双极板前体由金属基体和涂层组成，所述的涂层附着于所述的金属基体，由内而外依次为涂层A、涂层B和涂层C；

所述的涂层A为Ti；

所述的涂层B由组分B-1和组分B-2组成；所述的组分B-1为TiC；所述的组分B-2为Cr；

所述的涂层C由组分C-1和组分C-2组成；所述的组分C-1为导电碳材料；所述的组分C-2为Cr。

在某一实施方案中，所述的热处理可在Ar、He、N₂和H₂中的一种或多种的气氛中进行，又可在98％N₂和2％H₂的气氛中进行。