[发明专利]一种碳/镍表面改性的钛基金属双极板及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种碳/镍表面改性的钛基金属双极板及其制备方法和应用，属于燃料电池技术领域。包括如下步骤：将钛基金属板经过除油、水洗后，先电沉积镍过渡层；将废弃医用口罩消毒、拆解、干燥、粉碎处理；将表面电沉积镍后的钛基金属与处理后的废弃医用口罩混合一同放入管式炉中，抽真空；抽真空后的管式炉在200~600℃加热1~10h，即得。本发明通过先在钛基金属双极板表面制备一层镍过渡层，再利用镍金属对废弃医用口罩裂解制备碳材料具有催化性这一特点，成功在钛基金属双极板表面制备了碳/镍表面改性层，提高钛基金属的耐腐蚀性同时降低其表面接触电阻。工艺简单、制备时间短、成本低廉、绿色环保，可应用于大规模燃料电池生产。

技术领域

本发明涉及一种碳/镍表面改性的钛基金属双极板及其制备方法和应用，属于燃料电池领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有高能量转换效率、低温运行、环境友好等特点已经成为全球燃料电池应用和推广的主流技术之一。双极板是构成燃料电池堆的重要组件之一，占总质量的70%以上，总体积的50%左右，总成本的30%左右，起到传导电流，支撑电池结构，均匀分布阴极与阳极的反应气体以及排出反应产物等作用。因此要求双极板具有高电导率、高气密性、良好的机械性能、耐腐蚀性、低成本以及易于批量加工等特点。

目前双极板材料可分为三类：碳基材料、金属材料及复合材料。其中金属材料由于具有良好的导电、导热、机械加工性能并且可实现双极板的薄型化（0.05~1 mm），得到越来越普遍的应用，尤其是对燃料电池功率密度要求较高的场合，例如乘用车。目前，在乘用车上使用的燃料电池，各大汽车公司几乎均采用金属双极板。以钛为代表的轻金属具有较低的密度，在进一步提高燃料电池的功率密度方面具有竞争优势。但是钛的表面容易生成一种导电率非常低的钝化膜，这层钝化膜大大的增加了电池堆内部的欧姆损失，因此需进行表面改性处理。表面改性层主要包括过渡金属及其化合物、碳膜等。其中碳膜改性层同时具有良好的电传导和耐腐蚀性以及较为低廉的成本是目前用于钛基双极板表面改性的热点材料。碳膜改性层目前的主要制备方法为化学气相沉积（CVD）（例如丰田的专利技术（US2014356764））和物理气相沉积（PVD）（例如多弧离子镀和磁控溅射等）。PVD技术制备涂层薄膜对于基体的清洁度要求高，而且对于设备要求较为严格，工艺成本高。而采用CVD进行碳层制备时通常需要高温（一般高于700℃）的含碳还原气氛或者复杂的等离子体辅助设备，同样也存在工艺成本高，无法进行大规模商业化生产等问题。

随着重大呼吸道传染性疾病在全球大范围的传播，各个国家和地区对医用防护用品，尤其是口罩的需求不断攀升。截至2020年4月底，我国一次性口罩日均产量已达2亿只，每只约重5 g，即将来每天面临约1000吨废弃口罩处理。常规的掩埋或者焚烧处理不仅增加处理成本，更重要的是对环境造成严重污染。而废弃医用口罩的主要组成材料是聚丙烯（PP），鉴于此，本发明提出以废弃医用口罩为碳源，通过一种简单、可行的电沉积结合自催化方法，在钛基双极板表面制备高耐蚀性、低接触电阻和高稳定性的碳/镍改性层。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低廉、工艺简单、可大规模生产的一种碳/镍表面改性的钛基金属双极板及其制备方法和应用。本发明通过先在钛基金属双极板表面制备一层镍过渡层，再利用镍金属对废弃医用口罩裂解制备碳材料具有催化性这一特点，成功在钛基金属双极板表面制备了碳/镍表面改性层，不仅提高了钛基金属的耐腐蚀性同时降低了其表面接触电阻。同时工艺简单、制备时间短、成本低廉、绿色环保，可应用于大规模燃料电池生产。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种碳/镍表面改性的钛基双极板的制备方法，包括如下步骤：

1）将钛基金属先放置于碱性溶液中除油，随后放置于盐酸溶液中酸洗，而后用蒸馏水水洗，晾干备用；

2）将医用废弃口罩进行消毒、拆解、干燥、粉碎处理得到粉料，备用；

3）将步骤1）中处理过的钛基金属放置于电沉积槽中，采用三电极体系，在钛片表面均匀电沉积镍层；