一种燃料电池双极板的亲水涂层的制作方法

本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种燃料电池双极板的亲水涂层。

背景技术：

1、氢燃料电池是一种绿色环保的将化学能转化为电能的发电装置，其中氢气被作为燃料输送到阳极，氧气(或空气)作为氧化剂输送到阴极。氢气在阳极发生解离放出电子通过负载做功，同时质子穿过电解质与阴极中的电子和氧反应产生水。为了避免生成的水在阴极累积堵塞流道进而影响电堆的效能，所用双极板在满足基本耐腐蚀性和导电性的情况下，还需要有一定的水管理。

2、专利cn202110696382.6公开了一种质子交换膜燃料电池钛双极板复合梯度碳基涂层的制备方法，利用非平衡磁控溅射技术在钛板上沉积复合梯度涂层，从下向上依次为金属单质打底层、金属氮化物过渡层和纯碳工作层。该技术有效解决质子交换膜燃料电池钛双极板腐蚀防护涂层导电性差的问题，提高燃料电池效率和延长使用寿命，但其亲水性不能得到保障。

3、为了增强燃料电池电堆中的水管理，需要制备出一种复合涂层来同时满足金属双极板的耐腐蚀性和亲水性能。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池双极板的亲水涂层，可同时满足金属双极板的耐腐蚀性和亲水性能，双极板或水界面处具有较低的接触角。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池双极板的亲水涂层，包括耐蚀层、导电层和亲水层，所述的耐蚀层直接沉积在双极板基材上，所述的导电层沉积在耐蚀层表面；所述的亲水层覆盖在导电层表面。

3、进一步地，所述的双极板基材为钛合金或不锈钢板。

4、进一步地，所述的耐蚀层所用材料为金属铬、钛、铌或钽。

5、进一步地，所述的导电层所用材料为对应耐蚀层所用材料的金属碳化物。

6、进一步地，所述的亲水层的材料为多晶硅、二氧化硅或两者的混合物。

7、进一步地，所述耐蚀层的厚度为50-300nm；所述的导电层的厚度为50-500nm。

8、进一步地，所述亲水层覆盖率范围在24％-41％。

9、进一步地，所述亲水层提供低于40°的水接触角。

10、进一步地，所述的亲水层涂覆后的接触电阻小于10mω·cm2。

11、进一步地，所述的亲水涂层通过磁控溅射、脉冲偏压电弧离子镀、射频反应磁控溅射技术或溶胶-凝胶法沉积在整个导电层的上表面。

12、本发明在双极板表面先后涂覆耐蚀层、导电层和亲水层，在对涂层进行亲水改性使极板具有一定水管理效能的同时，还可以满足金属双极板优异的导电性和耐腐蚀性。

13、与现有技术相比，本发明的优点分为以下几个方面：

14、(1)本发明根据燃料电池双极板功能性应用要求设计涂层结构，即要求具有良好导电性、耐蚀性以及可以强化排水，针对提高双极板的耐腐蚀性及导电性以及表面的亲水性设计耐蚀层，导电层和亲水层，耐蚀层为金属铬、钛、铌或钽中的一种，沉积在基材上表面；导电层选自对应的金属碳化物(碳化铬、碳化钛、碳化铌或碳化钽)，沉积在耐蚀层上表面；亲水层为多晶硅、二氧化硅或或两者的混合物，沉积在整个涂层的上表面来完成涂层的亲水改性。在解决极板耐蚀问题，并保证良好导电的情况下，亲水涂层使气体扩散层中的液态水在表面张力与毛细力作用下更容易排出到通道增强了双极板通道的可湿性，从而增强了燃料电池的水管理能力，减少水堵的风险，提高电堆的工作效率并延长使用寿命。

15、(2)本发明采用钛合金板和/或不锈钢板作为基板，相比于常规的钛板具有更高的强度和耐蚀性，用钛合金和/或不锈钢作为基板，其晶格能量排布与涂层更能形成稳定的化学键结合，其适用的涂层范围更广，更稳定。

16、(3)本发明选用金属碳化物作为导电层，其导电性好。

17、(4)本发明设计基板、耐蚀层、导电层和导电层协同工作；亲水层引入硅基涂层后，极板表面的接触角更小，硅基材质更容易形成亲水基团，有利于通道内的排水。

18、(5)亲水层的厚度越大，覆盖率越大，导电性会变差，所以设计时需要平衡亲水层的覆盖率与导电性，本发明控制亲水层的覆盖率的范围在24％～41％，一方面保证导电层的导电性良好，另一方面提供低于40°的水接触角，使双极板具有良好导电性的同时具有较低的水接触角，使燃料电池生成水更容易排出到通道，避免堵水。且亲水层和导电层通过界面的电子交互和转移形成化学吸附，从而使亲水层稳定且牢固的附着在导电层。

技术特征：

1.一种燃料电池双极板的亲水涂层，其特征在于：包括耐蚀层（2）、导电层（3）和亲水层（4），所述的耐蚀层（2）直接沉积在双极板基材（1）上，所述的导电层（3）沉积在耐蚀层（2）表面；所述的亲水层（4）覆盖在导电层（3）表面；

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的亲水涂层，其特征在于：所述的双极板基材（1）为钛合金或不锈钢板。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的亲水涂层，其特征在于：所述的耐蚀层（2）所用材料为金属铬、钛、铌或钽。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的亲水涂层，其特征在于：所述耐蚀层（2）的厚度为50-300 nm；所述的导电层（3）的厚度为50-500 nm。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的亲水涂层，其特征在于：所述亲水层（4）提供低于40°的水接触角。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的亲水涂层，其特征在于：所述的亲水层（4）涂覆后的接触电阻小于10 mω·cm2。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的亲水涂层，其特征在于：所述的亲水涂层通过磁控溅射、脉冲偏压电弧离子镀或溶胶-凝胶法沉积在整个导电层（3）的上表面。

技术总结
本发明涉及一种燃料电池双极板的亲水涂层包括耐蚀层（2）、导电层（3）和亲水层（4），所述的耐蚀层（2）直接沉积在双极板基材（1）上，所述的导电层（3）沉积在耐蚀层（2）表面；所述的亲水层（4）覆盖在导电层（3）表面。与现有技术相比，本发明具有一定水管理效能的同时，还可以满足金属双极板优异的导电性和耐腐蚀性等优点。

技术研发人员：徐一凡,李丹
受保护的技术使用者：上海氢晨新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16