燃料电池金属双极板碳基梯度复合涂层及其制备方法与流程

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种燃料电池金属双极板碳基梯度复合涂层及其制备方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfc)因在高效、高功率密度、低工作温度、强耐久性和零污染等方面存在巨大潜力，被认为是理想的清洁能源转换装置，已被应用于交通运输、航天器、移动设备等领域。其中，金属双极板作为pemfc的核心组件，因优异的导电和导热性能、良好的耐腐蚀性和机械性能、易加工制造等优点成为研发热点。然而，金属双极板在pemfc高温、强酸和高电位的工作环境中极易造成表面腐蚀和氧化，降低导电性能、增大界面接触电阻，从而导致pemfc工作效率和使用寿命衰减。因此，pemfc对金属双极板的导电性和耐腐蚀性均提出较高的要求。

2、针对上述问题，研究表明通过在金属双极板表面设置金属基涂层、碳涂层是提高双极板性能的一种经济、有效的方法。但是，金属涂层价格昂贵、生产效率低、耐蚀性普遍较低，碳涂层则导热性稍差、表面脆弱易受损坏，同时这些涂层表面一般存在针孔类缺陷，从而限制了金属双极板的应用效果。

技术实现思路

1、为了优化金属双极板高导电性和耐腐蚀性效果，本发明提供一种在金属双极板表面逐层沉积导电聚合物-碳薄膜的碳基多梯度复合涂层及其制备方法，为扩展金属双极板表面改性的工业化发展提供基础。

2、为实现上述本发明的目的，第一方面，本发明实施例提出一种燃料电池金属双极板碳基梯度复合涂层的制备方法，所述方法包括：

3、s1，将金属双极板基体依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗并干燥，然后采用浸渍、浸渍-热处理、浸渍-紫外照射、等离子体处理之中一种或多种工艺进行表面修饰，得到表面羟基化或羧基化改性的金属双极板；

4、s2，采用直接物理共混法或者原位聚合法将碳材料与导电聚合物按照不同质量比进行混合，得到若干具有不同碳含量的导电聚合物-碳浆料；

5、s3，采用逐层沉积技术将不同碳含量的导电聚合物-碳浆料逐层沉积到所述s1得到的金属双极板经表面修饰的一侧，随后干燥，形成碳含量梯度变化的导电聚合物-碳复合涂层。

6、优选的，所述s1中：

7、金属双极板基体材料选自镁、铝、钛、铬、镍、铜、锌、锆、铌、钼、钨及其合金和不锈钢中的一种；

8、浸渍包括酸溶液浸渍和碱溶液浸渍。

9、优选的，所述s2中：

10、直接物理共混法为采用搅拌、超声、震荡、球磨中的一种或几种工艺将碳材料分散液与导电聚合物分散液直接混合制备成浆料；

11、原位聚合法为将导电聚合物单体在碳材料表面发生原位聚合并随后制备成浆料。

12、优选的，所述s2中：

13、碳材料选自石墨或其改性物、碳纳米带或其改性物、碳纳米纤维或其改性物、碳纳米管或其改性物、石墨烯或其改性物、炭黑或其改性物、硬碳或其改性物中的一种或几种；

14、导电聚合物材料选自聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚咔唑、聚乙炔、聚苯乙炔、聚氰基乙烯、聚碳酸酯-聚苯胺中的一种或几种。

15、优选的，所述s3中，逐层沉积技术包括浸渍、喷涂、旋涂、淋涂、辊涂中的一种或多种；

16、浸渍技术包括常规浸渍、真空浸渍、压力浸渍、超声浸渍及热浸渍中一种；

17、喷涂技术包括空气喷涂、无空气喷涂、静电喷涂及热喷涂中一种；

18、旋涂技术包括常规旋涂和真空旋涂中一种；

19、淋涂技术包括喷淋淋涂和幕帘式淋涂中一种；

20、辊涂技术包括同向辊涂、反向辊涂、旋转辊涂、浸渍辊涂中一种。

21、优选的，所述s2和所述s3中，若干不同碳含量的导电聚合物-碳浆料中的碳材料至少有一种相同；若干不同碳含量的导电聚合物-碳浆料中的导电聚合物材料至少有一种相同。

22、第二方面，本发明实施例还提出一种金属双极板涂层，为在金属双极板基体表面涂设的碳基梯度复合涂层，所述碳基梯度复合涂层包括沿远离所述金属双极板基体的方向设置的若干层碳含量不同的导电聚合物-碳涂层。

23、优选的，每层所述导电聚合物-碳涂层的厚度为50nm～900nm。

24、优选的，由所述金属双极板基体表面向上生长的每层所述导电聚合物-碳涂层中的碳材料占该层碳材料和导电聚合物总质量的比例逐渐降低，第一层至最后一层碳材料占比由90wt％～70wt％逐渐降低至50wt％～10wt％。

25、优选的，所述碳基梯度复合涂层的总层数为2～40，总厚度为100nm～36μm。

26、综上所述，本发明实施例提供一种燃料电池金属双极板碳基梯度复合涂层，通过导电聚合物和碳材料的有效结合，为组装高性能的复合涂层奠定基础。其中，通过官能团相互作用逐层设置导电聚合物-碳复合涂层来增强涂层与金属双极板以及各膜层间的结合力，并充分发挥导电聚合物和碳材料的协同作用进一步提升导电能力，通过在金属双极板表面形成结构致密的防护层且封堵针孔类缺陷以抑制腐蚀源入侵，从而获得良好的导电性和优异的耐腐蚀性。与现有技术相比，本发明具有如下优势：

27、(1)本发明实施例提供一种逐层沉积的金属双极板碳基梯度复合涂层制备技术，采用浸渍、喷涂、旋涂、淋涂、辊涂等工艺，通过相邻薄膜间的官能团相互作用与紧密缠结作用在金属双极板表面制备均匀、平整、致密的复合涂层。本发明成本低、方法简单高效、工艺条件宽泛，易于规模化生产。

28、(2)本发明实施例提供了一种无连续结构变化的复合涂层，由逐层沉积梯度结构的导电聚合物-碳涂层构建而成，实现了膜层间的良好过渡以及对膜层组成与结构的精细、有效调控，通过优化工艺使其兼具高导电和耐腐蚀性。

29、(3)本发明实施例提供一种多层结构协同作用的导电聚合物-碳复合涂层。其中，碳材料作为纳米添加剂填补导电聚合物-碳涂层中针孔类缺陷，完善涂层的结构致密性，阻隔腐蚀离子的扩散路径；同时，碳材料还通过对导电聚合物的掺杂作用和粘合作用实现复合涂层导电性的大幅度提高。此外，通过化学结合加强了复合涂层对金属双极板的有效结合。因此，该碳基梯度复合涂层有利于平衡高导电性和强耐腐蚀性，从而实现对金属双极板的有效防护。

技术特征：

1.一种燃料电池金属双极板碳基梯度复合涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板碳基梯度复合涂层的制备方法，其特征在于，所述s1中：

3.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板碳基梯度复合涂层的制备方法，其特征在于，所述s2中：

4.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板碳基梯度复合涂层的制备方法，其特征在于，所述s2中：

5.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板碳基梯度复合涂层的制备方法，其特征在于，所述s3中，逐层沉积技术包括浸渍、喷涂、旋涂、淋涂、辊涂中的一种或多种；

6.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板碳基梯度复合涂层的制备方法，所述s2和所述s3中，若干不同碳含量的导电聚合物-碳浆料中的碳材料至少有一种相同；若干不同碳含量的导电聚合物-碳浆料中的导电聚合物材料至少有一种相同。

7.一种金属双极板涂层，其特征在于，为在金属双极板基体表面涂设的碳基梯度复合涂层，所述碳基梯度复合涂层包括沿远离所述金属双极板基体的方向设置的若干层碳含量不同的导电聚合物-碳涂层。

8.根据权利要求7所述的金属双极板涂层，其特征在于，每层所述导电聚合物-碳涂层的厚度为50nm～900nm。

9.根据权利要求7所述的金属双极板涂层，其特征在于，由所述金属双极板基体表面向上生长的每层所述导电聚合物-碳涂层中的碳材料占该层碳材料和导电聚合物总质量的比例逐渐降低，第一层至最后一层碳材料占比由90wt％～70wt％逐渐降低至50wt％～10wt％。

10.根据权利要求7所述的金属双极板涂层，其特征在于，所述碳基梯度复合涂层的总层数为2～40，总厚度为100nm～36μm。

技术总结
本发明涉及燃料电池金属双极板碳基梯度复合涂层及其制备方法，将金属双极板基体预处理后，采用浸渍、浸渍‑热处理、浸渍‑紫外照射、等离子体处理等工艺进行表面修饰，得到表面羟基化或羧基化改性的金属双极板，然后将碳材料与导电聚合物按照不同质量比进行混合，得到若干具有不同碳含量的导电聚合物‑碳浆料，并采用逐层沉积技术将不同碳含量的导电聚合物‑碳浆料逐层沉积到金属双极板经表面修饰的一侧，形成碳含量梯度变化的导电聚合物‑碳复合涂层。本发明通过官能团相互作用逐层设置导电聚合物‑碳复合涂层来增强涂层与金属双极板以及各膜层间的结合力，并充分发挥导电聚合物和碳材料的协同作用提升导电能力，兼顾良好的导电性和耐腐蚀性。

技术研发人员：董珂琪,张辉,姚伟
受保护的技术使用者：中国空间技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11