[01636506]一种酸性介质燃料电池双极板防护涂层及其制备方法

1.课题来源与背景 质子交换膜燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置,是一项高效率利用能源而又不污染环境的新技术。目前其面临的挑战是降低成本、减轻电池堆的质量,其中关键的部件是分隔电池堆中单电池的双极板,其要求材料和加工成本低、质轻、力学性能好、高的表面和体积电导率和耐腐蚀。双极板占电池组质量的60％,费用的45％。选择合适的双极板材料和制备技术可极大地改善电池的性能。以金属双极板取代石墨双极板,无论是从材料成本、规模化加工,还是从大幅度提高电池比功率等方面,都显示很好的应用前景。金属双极板材料选择与表面处理是当前及未来研究的一个重要方书面。从现有研究成果看,轻金属如铝或其合金尽管在提高电池比功率方面更具优势,但表面处理面临更大的困难,施加单一耐蚀、导电涂层可能难以满足电池的要求。镍基合金由于较高的成本,在商业化应用方面不具竞争力。而不锈钢材料,其成本低,强度高,易加工和成型,导电导热性能好,但其抗腐蚀性能相对较差,制约其商业化的应用。因此,如何提高不锈钢双极板抗腐蚀及导电性能就显得尤为重要,它关系到未来燃料电池及其相关产业的发展。本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提供一种酸性介质双极板防护涂层及其制备方法,以期该涂层具有较高的膜-基结合强度、优越的抗腐蚀性能及较好的导电性能。 2.技术原理及性能指标 本发明属于材料表面处理技术领域,该涂层由物理气相沉积（PVD）方法制成,涂层为纳米多层复合结构,由下至上依次为沉积在基本表面的纯Cr 界面过渡层、AlTiN 中间层以及AlTiSiN 工作层;所述涂层内部组织主要包括大量的非晶相组织及少量的AlN、TiN、AlTiN 相组织;所述涂层中非晶相组织的体积比为60~75％;所述纯Cr 界面过渡层厚度为0.1~0.2μm;AlTiN 中间层厚度为0.3~0.5μm;AlTiSiN 工作层厚度为2.5~3.5μm;所述AlTiSiN 工作层中,按原子数百分比计,包括Al20~30％,Ti12~16％,Si1~5％,N50~60％。作为一种优化,将所制AlTiSiN 涂层放入真空退火炉中加热到800℃,保温2小时后随炉冷却。本发明中防护涂层具有超过38N的结合强度,在10％H2SO4溶液中腐蚀电位为0.337V,自腐蚀电流为10-8A.cm-2数量级,相比基体腐蚀电位提高了0.422V,涂层对基体的保护效率提高了99.97％;而接触电阻仅为9.6mΩ.cm-2,提高了双极板在酸性介质中的导电性能。 3.技术的创造性与先进性 本发明具有自下而上的依次沉积于双极板基体表面的纯Cr界面过渡层、TiSiN中间层和AlTiSiN工作层,各层界面相互匹配,因此涂层具有较高结合力强度。多层复合结构以及大量非晶相存在的设计不仅可以提高涂层致密度,还可阻止腐蚀介质浸入涂层内部,大大提高涂层的抗腐蚀性能,而普通PVD 薄膜在沉积时呈现柱状晶生长或者由于大量晶界的存在,成为腐蚀介质进入涂层内部的通道,产生腐蚀。涂层中AlN、TiN、AlTiN相为导电相,800℃退火可以促进固溶体分解,得到该目标相,有助于降低涂层的接触电阻,为在双极板的应用创造了很好的条件。涂层具有超过38N 的结合强度,在10％H2SO4溶液中的腐蚀电位为0.337V,自腐蚀电流为2.029*10-8A.cm-2,相比基体腐蚀电位提高了0.422V,保护效率提高了99.97％;而涂层接触电阻仅为9.6mΩ.cm-2,提高了双极板在酸性介质中的导电性能,增大了燃料电池的输出功率,将有助于燃料电池更广阔的市场化发展。 4.技术的成熟程度,适用范围和安全性 物理气相沉积（PVD）,是当前国际上广泛应用的先进的表面处理技术,具有沉积速度快、制备过程清洁、安全性高等特点,特别具有膜层附着力强、抗氧化能力强、耐磨性及耐腐蚀性好等优点。利用PVD 技术制备多元复合硬质膜可以提高燃料电池双极板性能的可行性已被初步证明。真空退火工艺可以使材料的组织和成分均匀化,改善材料性能。PVD 和合理的真空退火相结合,多元复合硬质膜可得到一系列导电相和耐腐蚀相,并且消除PVD过程的膜层缺陷,从而提高硬质膜的抗腐蚀性和导电性。本发明利用合理的PVD技术及退火工艺优化结合,多层复合的微观结构、大量非晶组织以及目标相的设计,显著改善涂层的抗腐蚀及导电性能。纯Cr层具有很强的界面融合性能,实现涂层与基体很高的结合强度;多层复合结构的设计可以提高涂层致密度、韧性,且可以阻止腐蚀介质浸入涂层内部,提高涂层的抗腐蚀性能。通过退火分解得到的导电相有助于提高涂层的导电性能。该技术不仅可以改善双极板性能,对处于类似环境下的服役工件,具有同样的保护效果。 5.应用情况及存在的问题 该成果尚未应用,暂无成果转化需求。 6.历年获奖情况 暂无