CN107195920B - 燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料 - Google Patents

燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及涂料技术领域，尤其是一种燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料。一种燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料，该涂层包含自愈合层和超耐蚀层，自愈合层由钛合金和钨合金组成；超耐蚀层包括钨合金组分的氧化物层和钨合金组分的氮化物层。这种燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料以提升燃料电池金属极板使用寿命为前提，这种燃料电池金属双极板超导电超耐蚀涂层材料拥有在使用过程中使得针孔自动填充的能力，因此无需设计规避针孔用反复循环的多层结构，可以在无需添加贵金属的前提下达到比现有技术更低的接触电阻和腐蚀电流密度（接触电阻可达到3mΩ•cm2，腐蚀电流密度可达5×10‑8A/cm2），极大降低了金属极板的处理成本。

Description

燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料
技术领域
本发明涉及涂料技术领域，尤其是一种燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料。
背景技术
质子交换膜燃料电池作为21世纪新能源汽车的革新代名词，具有目前纯电动汽车无法取代的市场推广前景和改善地球环境的重大意义，其具有比燃油汽车更高的能量转化效率，且运行过程无污染物排出，电池回收没有纯电动汽车所需考虑的环境污染问题。也因此，全球各国争先开发其相关技术，其中关于燃料电池双极板材料的选择及其表面改性手段的研发尤其突出，因为双极板是质子交换膜燃料电池中的核心部件，占燃料电池总重量的70%-80%，制造成本的40%-50%，同时也是制约电池使用寿命的关键因素，所以，为了降低燃料电池组总重量、消减制造成本、提升电池寿命，新型燃料电池极板材料的开发显得尤为重要。目前双极板重量问题已得到有效改善，但采用轻量化设计的极板其基体材料多为不锈钢或钛合金这类表面容易钝化的材料，因此容易导致其表面电阻在电池环境中迅速提升，从而达不到电池使用的标准，由此出现了大批量针对金属极板表面改性的涂层和改性技术，虽然一些方法确实有效的改善了极板表面的导电能力，同时一定程度上提升了极板的耐久性能，包括采用多层设计以填堵针孔、贵金属引入以提升耐蚀性、采用特殊手段提升涂层致密度等，尽管如此目前最好的技术也只能满足燃料电池使用3000小时，仍然无法满足民用推广的水平。
发明内容
为了克服现有的涂料存在的不足，本发明提供了一种燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料，该涂层包含自愈合层和超耐蚀层，自愈合层由钛合金和钨合金组成；超耐蚀层包括钨合金组分的氧化物层和钨合金组分的氮化物层。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，自愈合层的钛合金包含钛与钒、钽、镍、铬、锆中的一种或多种，其中钛含量为30wt%-80wt%；自愈合层的钨合金包含钨与钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，其中钨含量为5wt%-80wt%。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，自愈合层具有30nm-500nm的涂层厚度，且自愈合层在涂层使用过程中会在针孔或机械性损伤处自动形成填充物，由于暴露在外而易于与氧发生反应，自动形成氧化填充物，所形成的氧化产物具有较好的耐蚀性能和较好的导电能力，从而阻止腐蚀反应的进一步发生。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，超耐蚀层包括钨合金组分的氧化物层和钨合金组分的氮化物层，其中，氧化物层在自愈合层外侧，氮化物层在氧化物层外侧。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，氧化物层，钨合金包含钨与钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，其中钨含量为5wt%-80wt%。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，氮化物层为钨合金组分构成的氮化物；钨合金包含钨与钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，其中钨含量为5wt%-80wt%。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，氧化物层具有20nm-500nm的涂层厚度，氮化物层具有20nm-500nm涂层厚度。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，氧化物层与氮化物层具有良好的导电能力和优异的耐蚀性能，在0.6MPa压力下，与碳纸的接触电阻3mΩ•cm2-15mΩ•cm2；采用电化学工作站进行动电位极化测试，其腐蚀电位为0.5V-1.2V，腐蚀电流密度为0.5×10-7A/cm2-8×10-7A/cm2。
本发明的有益效果是，这种燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料以提升燃料电池金属极板使用寿命为前提，这种燃料电池金属双极板超导电超耐蚀涂层材料拥有在使用过程中使得针孔自动填充的能力，因此无需设计规避针孔用反复循环的多层结构，可以在无需添加贵金属的前提下达到比现有技术更低的接触电阻和腐蚀电流密度（接触电阻可达到3mΩ•cm2，腐蚀电流密度可达5×10-8A/cm2），极大降低了金属极板的处理成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图中1、基体，2、自愈合层，3、超耐蚀层，4、氧化物层，5、氮化物层，6、损伤处，7、填充物。
具体实施方式
如图1是本发明的结构示意图，一种燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料，该涂层包含自愈合层2和超耐蚀层3，自愈合层2由钛合金和钨合金组成；超耐蚀层3包括钨合金组分的氧化物层4和钨合金组分的氮化物层5。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，自愈合层2的钛合金包含钛与钒、钽、镍、铬、锆中的一种或多种，其中钛含量为30wt%-80wt%；自愈合层2的钨合金包含钨与钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，其中钨含量为5wt%-80wt%。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，自愈合层2具有30nm-500nm的涂层厚度，且自愈合层2在涂层使用过程中会在针孔或机械性损伤处6自动形成填充物7，由于暴露在外而易于与氧发生反应，自动形成氧化填充物7，所形成的氧化产物具有较好的耐蚀性能和较好的导电能力，从而阻止腐蚀反应的进一步发生。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，超耐蚀层3包括钨合金组分的氧化物层4和钨合金组分的氮化物层5，其中，氧化物层4在自愈合层2外侧，氮化物层5在氧化物层4层外侧。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，氧化物层4，钨合金包含钨与钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，其中钨含量为5wt%-80wt%。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，氮化物层5为钨合金组分构成的氮化物；钨合金包含钨与钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，其中钨含量为5wt%-80wt%。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，氧化物层4具有20nm-500nm的涂层厚度，氮化物层5具有20nm-500nm涂层厚度。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，氧化物层4与氮化物层5具有良好的导电能力和优异的耐蚀性能，在0.6MPa压力下，与碳纸的接触电阻3mΩ•cm2-15mΩ•cm2；采用电化学工作站进行动电位极化测试，其腐蚀电位为0.5V-1.2V，腐蚀电流密度为0.5×10-7A/cm2-8×10-7A/cm2。
本发明的实施例一：
组成自愈合层的钛合金组分为含有钛30wt%的钛合金，其中钛为β相，其他添加成分可以是钒、钽、镍、铬、锆中的一种或多种，如钛与钒、钛与钽、钛与铬、钛与钽和钒所组成的二元、三元甚至多元合金，如30wt%钛、20wt%钒、50wt%铬所组成的合金，且所形成的合金为BCC结构，组成自愈合层的另一种合金，组分包含5wt%钨，其他添加成分可以是钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，如钨与钒、钨与钛、钨与锆、钨与铌和铬等，如5wt%钨、80wt%铌、15wt%铬所组成的合金，涂层厚度为30nm，值得说明的是，在本实施例中自愈合层厚度越厚，自愈合能力越强，其阻止基体发生腐蚀氧化的能力也越强。
组成超耐蚀层的合金组分为含有钨5wt%的合金氮化物和氧化物，其他添加成分可以是钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，如钨与钛、钨与钒、钨与铌、钨与钽和铬所组成的二元、三元甚至多元合金，如5wt%钨、10wt%铌、85wt%铬所组成的合金，涂层厚度为30nm，值得说明的是所述自愈合层和超耐蚀层是通过PVD方法得到的，包含多弧离子镀膜技术、磁控溅射镀膜技术、蒸发镀膜技术且不限于其中一种方式制备。
涂层具有且具有良好的导电能力和优异的耐蚀性能，在0.6MPa压力测试下，与碳纸的接触电阻15mΩ•cm2，采用电化学工作站进行动电位极化测试，其腐蚀电位为1.0V，腐蚀电流密度为5×10-6A/cm2。
本发明的实施例二：
组成自愈合层的钛合金组分为含有钛80wt%的钛合金，其中钛为β相，其他添加成分可以是钒、钽、镍、铬、锆中的一种或多种，如钛与钒、钛与钽、钛与铬、钛与钽和钒所组成的二元、三元甚至多元合金，如80wt%钛、10wt%钒、10wt%铬所组成的合金，且所形成的合金为BCC结构，组成自愈合层的另一种合金，组分包含80wt%钨，其他添加成分可以是钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，如钨与钒、钨与钛、钨与锆、钨与铌和铬等，如80wt%钨、10wt%铌、10wt%铬所组成的合金，涂层厚度为30nm，值得说明的是，在本实施例中自愈合层厚度越厚，自愈合能力越强，其阻止基体发生腐蚀氧化的能力也越强。
组成超耐蚀层的合金组分为含有钨80wt%的合金氮化物和氧化物，其他添加成分可以是钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，如钨与钛、钨与钒、钨与铌、钨与钽和铬所组成的二元、三元甚至多元合金，如80wt%钨、15wt%铌、5wt%铬所组成的合金，涂层厚度为30nm，值得说明的是所述自愈合层和超耐蚀层是通过PVD方法得到的，包含多弧离子镀膜技术、磁控溅射镀膜技术、蒸发镀膜技术且不限于其中一种方式制备。
涂层具有且具有良好的导电能力和优异的耐蚀性能，在0.6MPa压力测试下，与碳纸的接触电阻3mΩ•cm2，采用电化学工作站进行动电位极化测试，其腐蚀电位为1.2V，腐蚀电流密度为8×10-7A/cm2。
本发明的实施例三：
组成自愈合层的钛合金组分为含有钛60wt%的钛合金，其中钛为β相，其他添加成分可以是钒、钽、镍、铬、锆中的一种或多种，如钛与钒、钛与钽、钛与铬、钛与钽和钒所组成的二元、三元甚至多元合金，如60wt%钛、20wt%钒、20wt%铬所组成的合金，且所形成的合金为BCC结构，组成自愈合层的另一种合金，组分包含60wt%钨，其他添加成分可以是钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，如钨与钒、钨与钛、钨与锆、钨与铌和铬等，如60wt%钨、20wt%铌、20wt%铬所组成的合金，涂层厚度为30nm，值得说明的是，在本实施例中自愈合层厚度越厚，自愈合能力越强，其阻止基体发生腐蚀氧化的能力也越强。
组成超耐蚀层的合金组分为含有钨60wt%的合金氮化物和氧化物，其他添加成分可以是钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，如钨与钛、钨与钒、钨与铌、钨与钽和铬所组成的二元、三元甚至多元合金，如60wt%钨、25wt%铌、15wt%铬所组成的合金，涂层厚度为30nm，值得说明的是所述自愈合层和超耐蚀层是通过PVD方法得到的，包含多弧离子镀膜技术、磁控溅射镀膜技术、蒸发镀膜技术且不限于其中一种方式制备。
涂层具有且具有良好的导电能力和优异的耐蚀性能，在0.6MPa压力测试下，与碳纸的接触电阻10mΩ•cm2，采用电化学工作站进行动电位极化测试，其腐蚀电位为0.7V，腐蚀电流密度为1×10-6A/cm2。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料，其特征是，该涂层包含自愈合层（2）和超耐蚀层（3），该涂层材料从上往下依次为超耐蚀层（3）、自愈合层（2）以及基体（1），自愈合层（2）由钛合金和钨合金组成，自愈合层（2）具有30nm-500nm的涂层厚度，且自愈合层（2）在涂层使用过程中会在针孔或机械性损伤处（6）自动形成氧化填充物（7），由于暴露在外而易于与氧发生反应，自动形成氧化填充物（7），所形成的氧化填充物（7）具有较好的耐蚀性能和较好的导电能力，从而阻止腐蚀反应的进一步发生，自愈合层（2）的钛合金包含钛与钒、钽、镍、铬、锆中的一种或多种，其中钛含量为30wt%-80wt%；自愈合层（2）的钨合金包含钨与钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，其中钨含量为5wt%-80wt%，超耐蚀层（3）包括钨合金组分的氧化物层（4）和钨合金组分的氮化物层（5），其中，氧化物层（4）在自愈合层（2）外侧，氮化物层（5）在氧化物层（4）外侧。
2.根据权利要求1所述的燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料，其特征是，钨合金组分的氧化物层（4），钨合金包含钨与钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，其中钨含量为5wt%-80wt%。
3.根据权利要求1所述的燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料，其特征是，钨合金组分的氮化物层（5）为钨合金组分构成的氮化物；钨合金包含钨与钛、钒、铌、铬、锆中的一种或多种，其中钨含量为5wt%-80wt%。
4.根据权利要求1所述的燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料，其特征是，钨合金组分的氧化物层（4）具有20nm-500nm的涂层厚度，钨合金组分的氮化物层（5）具有20nm-500nm涂层厚度。
5.根据权利要求1所述的燃料电池兼具导电和耐蚀功能的涂层材料，其特征是，钨合金组分的氧化物层（4）与钨合金组分的氮化物层（5）具有良好的导电能力和优异的耐蚀性能，在0.6MPa压力下，与碳纸的接触电阻3mΩ•cm2-15mΩ•cm2；采用电化学工作站进行动电位极化测试，其腐蚀电位为0.5V-1.2V，腐蚀电流密度为0.5×10-7A/cm2-8×10-7A/cm2。
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