一種質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層及其制備方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】 一種質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板納米晶ZrBN/Zr復(fù)合
涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今世界人類(lèi)的生存與可持續(xù)發(fā)展正面臨著能源短缺以及能源過(guò)度使用造成的環(huán)境污染等問(wèn)題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。能源的優(yōu)化利用與開(kāi)發(fā)清潔、安全的新能源成為當(dāng)務(wù)之急。燃料電池作為一種高效和潔凈的發(fā)電技術(shù)，它可以將活性物質(zhì)的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能，具有能量轉(zhuǎn)化率高(40?60% )、環(huán)境友好、工作噪音低、幾乎不排放氮和硫的氧化物，較低的二氧化碳排放量等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為是繼水力、火力和核能之后的第四代發(fā)電裝置。作為第五代燃料電池的質(zhì)子交換膜燃料電池是以固態(tài)的高分子聚合物作為電解質(zhì)，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無(wú)噪聲、零污染、無(wú)腐蝕、工作溫度低、冷啟動(dòng)快、壽命長(zhǎng)和比功率高等優(yōu)點(diǎn)，因此具有極其廣闊的應(yīng)用前景，尤其適合做電動(dòng)車(chē)、潛艇和各種可移動(dòng)電源，己成為世界各國(guó)的研宄熱點(diǎn)之一。雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵組件之一，通常雙極板分為石墨板和金屬板兩種類(lèi)型，常見(jiàn)的金屬雙極板材料主要包括不銹鋼、Ti以及Al合金等。金屬材料比石墨材料具有更好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性以及良好的機(jī)械強(qiáng)度與機(jī)加工性能等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化的必然選擇。但是金屬雙極板在質(zhì)子交換膜燃料電池氫電極側(cè)，因?yàn)楦邷丶八嵝原h(huán)境下易發(fā)生腐蝕溶解，致使電極電催化劑活性降低，導(dǎo)致膜電阻增加；而在氧電極側(cè)，表面鈍化層會(huì)導(dǎo)致膜電極擴(kuò)散層和雙極板間的界面接觸電阻增大，增強(qiáng)了歐姆極化作用，降低燃料電池輸出功率。采用先進(jìn)的表面改性技術(shù)制備各類(lèi)表面防護(hù)涂層是提高金屬雙極板耐腐蝕性能和降低接觸電阻的有效方法之一。目前用于燃料電池金屬雙極板的表面改性技術(shù)主要有電鍍、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積和離子鍍等方式。但上述方法往往存在一些不足之處，如電鍍產(chǎn)生的廢液污染環(huán)境，而化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積和離子鍍改性層往往存在冶金缺陷，一定程度上降低了不銹鋼鍍銀層的耐腐蝕性能，從而嚴(yán)重影響鍍膜雙極板的耐久性及安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層及其制備方法。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0005]一種質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層，其特征在于，所述納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層由外層的ZrBN沉積層、內(nèi)層的Zr沉積層和擴(kuò)散層組成，所述ZrBN沉積層由等軸的、平均晶粒尺寸約為10?20nm的納米晶ZrBN組成，所述擴(kuò)散層是由Zr沉積層與金屬雙極板的合金元素互擴(kuò)散形成，擴(kuò)散層中合金元素呈梯度分布。
[0006]按上述方案，所述ZrBN沉積層的厚度為10?15 μ m。
[0007]按上述方案，所述Zr沉積層的厚度為5?10 μ m。
[0008]按上述方案，所述ZrBN沉積層中ZrBN的質(zhì)量份數(shù)大于98 %，Zr沉積層中Zr的質(zhì)量份數(shù)大于98%。
[0009]按上述方案，所述金屬雙極板為鈦合金雙極板。
[0010]一種質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0011](I)采用超聲波清洗砂紙精磨后的金屬雙極板；
[0012](2)將超聲清洗處理后的金屬雙極板作為工件放入雙陰極等離子濺射沉積爐內(nèi)，將其與一個(gè)可控陰極裝置連接；將濺射靶材與另一個(gè)可控陰極裝置連接；靶材與工件的間距為 10-20mm ；
[0013](3)將雙陰極等離子濺射沉積爐抽真空，再向爐內(nèi)通氬氣，使?fàn)t內(nèi)氣壓保持在30 ?40Pa ；
[0014](4)以純度99.99%的Zr燒結(jié)板為濺射靶材，開(kāi)啟與靶材和工件相連接的陰極，Zr燒結(jié)板的濺射沉積條件為:靶材電壓600?800V，靶材電流0.6?1.5A，工件電壓200?350V，工件電流0.3?1.2，沉積溫度為750?800°C，沉積時(shí)間為0.5?1.5小時(shí)，得到金屬雙極板Zr沉積層；
[0015](5)將濺射靶材換成ZrB燒結(jié)板，在Zr沉積層上進(jìn)一步濺射ZrB沉積層，ZrB燒結(jié)板的濺射沉積條件:靶材電壓650?750V，靶材電流0.5?1.1A，工件電壓250?320V，工件電流0.5?0.9，沉積溫度為650?750°C，沉積時(shí)間為I?2小時(shí)，得到金屬雙極板ZrB/Zr復(fù)合涂層；
[0016](6)將金屬雙極板ZrB/Zr復(fù)合涂層進(jìn)行離子氮化，工藝參數(shù)如下:工件電壓650?850V，氮化溫度450?600 °C，工作氣壓20?45Pa，氮分壓0.1?IPa離子氮化I?2小時(shí)，得到金屬雙極板納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層。
[0017]優(yōu)選地，所述靶材與工件的間距為1mm ;所述雙陰極等離子濺射沉積爐內(nèi)氣壓保持在35Pa，所述Zr燒結(jié)板的濺射沉積條件為:靶材電壓800V，工件電壓350V，沉積溫度為800 °C ;所述ZrB燒結(jié)板的濺射沉積條件為:靶材電壓750V，工件電壓320V，沉積溫度為7500C ;所述離子氮化的工藝參數(shù)為:工件電壓750V，氮化溫度500°C，工作氣壓40Pa，氮分壓0.1Pa尚子氣化I小時(shí)。
[0018]按上述方案，所述金屬雙極板為鈦合金雙極板。
[0019]按上述方案，所述雙陰極等離子濺射沉積爐的真空度為5X 10_3Pa。
[0020]按上述方案，所述氬氣的氣體流量為30sccm?40sccm。
[0021]本發(fā)明的有益效果:
[0022](I)與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所制備的金屬雙極板納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層具有優(yōu)異的表面導(dǎo)電性能，接觸電阻小；同時(shí)還具有高耐蝕性能，在燃料電池的陽(yáng)極/陰極工作環(huán)境中，所制備的納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層的腐蝕電位均明顯高于無(wú)涂層保護(hù)的金屬雙極板；此外，所制備的金屬雙極板納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層具有良好的疏水性能，有助于電池內(nèi)部液態(tài)水的排出，從而能簡(jiǎn)化PEMFC內(nèi)部的水管理過(guò)程；
[0023](2)本發(fā)明所制備的納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層具有高致密度，同時(shí)，內(nèi)層的Zr沉積層與金屬雙極板間存在一定厚度的擴(kuò)散層，擴(kuò)散層中Zr沉積層與金屬雙極板互擴(kuò)散的合金元素呈梯度分布，能有效提高涂層與金屬雙極板之間的結(jié)合力；
[0024](3)本發(fā)明制備方法工藝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，涂層制備成本低。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為實(shí)施例1中T1-6A1-4V雙極板表面濺射沉積的納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層的橫斷面顯微組織SEM照片。
[0026]圖2為實(shí)施例1中T1-6A1-4V雙極板表面濺射沉積的納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層的透射電子明場(chǎng)像。
[0027]圖3為實(shí)施例1中T1-6A1-4V雙極板表面濺射沉積的納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層和對(duì)照T1-6A1-4V雙極板在模擬PEMFC陰極環(huán)境中的動(dòng)電位極化曲線。
[0028]圖4為實(shí)施例1中T1-6A1-4V雙極板表面濺射沉積的納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層和對(duì)照T1-6A1-4V雙極板在模擬PEMFC陽(yáng)極環(huán)境中的動(dòng)電位極化曲線。
[0029]圖5為實(shí)施例1中接觸角(contact angle value)測(cè)試圖，其中(a)為對(duì)照T1-6A1-4V雙極板，(b)為T(mén)1-6A1-4V雙極板表面濺射沉積的納米晶ZrBN/Zr涂層。
[0030]圖6為實(shí)施例1中T1-6A1-4V雙極板表面濺射沉積的納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層和T1-6A1-4V雙極板的接觸電阻(ICR)隨壓緊力(impact1n force)變化圖。
具體實(shí)施方案
[0031]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0032]實(shí)施例1
[0033]—種質(zhì)子交換膜燃料電池鈦合金雙極板納米晶ZrBN/Zr復(fù)合涂層的制備方法，包括如下步驟:
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