CN114792819A - 一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板，表面改性的燃料电池双极板以燃料电池的双极板为基材，利用真空溅射镀层技术在基材的表面形成均匀的Ti涂层，获得高电导率和耐腐蚀的双极板。利用氮掺、碳掺和碳氮共掺的方式，将TiN、TiCN或TiC镀层到双极板上，相对于现有的石墨涂层的双极板在电导率上极大提高，同时增强双极板的耐腐蚀性能，提高燃料电池性能和寿命。采用本发明制备的Ti涂层表面改性的双极板可以满足燃料电池使用需求，为燃料电池的产业化道路提供了技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池双极板技术领域，尤其涉及一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板及其制备方法。
背景技术
双极板作为燃料电池的关键部件，实现单电池之间的连接并起到收集电流的作用，为电池分配燃料和氧化剂等。燃料电池使用过程中，燃料电池双极板会发生腐蚀，通过镀层技术可以提高双极板的耐久性。燃料电池双极板的镀层需要同时满足高电导率和耐腐蚀要求。
现有技术中的燃料电池双极板一般为石墨涂层的金属双极板，这种双极板具有一定的耐腐蚀，但是电导率不高。此外，石墨/树脂复合材料双极板在实际中也有应用，树脂作为粘结剂，在增强石墨板力学强度的同时也提高了其阻气性，但复合板电导率较低的问题仍限制了双极板的应用。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板，其特征在于，所述表面改性的燃料电池双极板以燃料电池的双极板为基材，利用真空溅射镀层技术在所述基材的表面形成均匀的Ti涂层，所述Ti涂层为TiN、TiCN或TiC材料中的一种；所述TiC、TiCN和TiN的电导率依次增加，且所述TiCN的氮掺杂浓度与自身电导率呈正相关。
本发明一个较佳实施例中，所述Ti涂层的厚度为2～4μm。
本发明一个较佳实施例中，所述双极板为不锈钢、钛、铝、铜或银材料中的一种。
一种如上述所述的一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板的制备方法，包括以下步骤：
S1、镀膜室内抽真空，并通入工作气体；
S2、取清洁的双极板置于阳极架，在阳极架的正上方设置阴极架，阴极架上设置靶材料，靶材料和双极板相对设置，靶材料为固体Ti；
S3、阴极架接入高压电源，将靶材料激发成粒子态，被激发出来的粒子带有动能，沿双极板方向运动并沉积在双极板上。
本发明一个较佳实施例中，在所述S1中，工作气体为含碳气体或氮气中一种或两种组合，所述含碳气体为甲烷或乙炔。
本发明一个较佳实施例中，在所述S2中，靶材料和双极板的距离在10～40mm。
本发明一个较佳实施例中，在所述S3中，高压电源的电压范围在1～100KV。
本发明一个较佳实施例中，在所述S3中，靶材料的沉积时间为1～10min。
本发明一个较佳实施例中，在所述S1中抽真空时压力保持在10-3Pa以下，通入工作气体后压力保持在0～0.1Pa。
本发明一个较佳实施例中，在所述S3中，粒子态的靶材料与工作气体发生化学反应，晶粒成核并长大，形成致密的TiN、TiCN或TiC材料。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明利用真空溅射镀层技术，利用氮掺、碳掺和碳氮共掺的方式，将TiN、TiCN或TiC镀层到双极板上，相对于现有的石墨涂层的双极板在电导率上极大提高，同时增强双极板的耐腐蚀性能，提高燃料电池性能和寿命。采用本发明制备的Ti涂层表面改性的双极板可以满足燃料电池使用需求，为燃料电池的产业化道路提供了技术支撑。
(2)本发明通过控制不同工作气体比例，随着甲烷和氮气的比例减少，制备的TiCN镀层的双极板的电导率提高，解决了如何提高TiCN镀层导电率的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明的Ti涂层表面改性的燃料电池双极板的制备装置的结构示意图；
图2是本发明的TiN镀层表面微观图或电镜图；
图中：1、镀膜室；2、抽气口；3、工作气体导入口；4、阳极架；5、基材；6、阴极架；7、靶材料；8、绝缘体；9、高压电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本发明的双极板为燃料电池的双极板，双极板为不锈钢、钛、铝、铜或银材料中的一种，本发明中优选不锈钢材质，且为不锈钢316材质。
本发明提供了一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板，表面改性的燃料电池双极板以燃料电池的双极板为基材5，利用真空溅射镀层技术在基材5的表面形成均匀的Ti涂层。
如图1所示，本发明提供了制备上述Ti涂层表面改性的燃料电池双极板的制备装置，该装置包括：镀膜室1和设置在镀膜室1内的阳极架4和阴极架6。阳极架4位于阴极架6正下方，阳极架4表面设置有基材5，阴极架6上设置有靶材料7。阴极架6与绝缘体8和高压电源9连接。镀膜室1的侧向设置有工作气体导入口3，用于通入工作气体；镀膜室1的底部设置有抽气口2，用于连接真空泵。
本发明提供了一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、镀膜室1内抽真空，压力保持在10-3Pa以下，并通入工作气体，压力保持在0～0.1Pa；其中工作气体为含碳气体或氮气中一种或两种组合，所述含碳气体为甲烷或乙炔；
S2、取清洁的双极板置于阳极架4，在阳极架4的正上方设置阴极架6，阴极架6上设置靶材料7，靶材料7和双极板相对设置，靶材料7为固体Ti，靶材料7和双极板的距离在10～40mm；
S3、阴极架6接入电压范围在1～100KV的高压电源9，将靶材料7激发成粒子态，被激发出来的粒子带有动能，粒子态的靶材料7与工作气体发生化学反应，晶粒成核并长大，形成致密的TiN、TiCN或TiC材料，并沿双极板方向运动并沉积在双极板上，靶材料7的沉积时间为1～10min。
本发明中的沉积时间是为了保证双极板上涂层的厚度，本发明沉积时间为1～10min，得到2～4μm厚度的涂层，使得双极板植被的更薄，使得双极板体积小，功率密度更大。而这里2～4μm厚度的涂层为了配合双极板在燃料电池中结构的应用要求，厚度的变化对于电导率影响不大。
如图2所示，为采用上述制备方法形成的TiN镀层表面微观图或电镜图。为保证双极板在燃料电池中的电导性和耐腐蚀性，选择控制电压大小、气压和工作气体成分因素，制备形成Ti涂层的厚度为2～4μm的双极板。
实施例一
实验组1
镀膜室1内抽真空，压力保持在10-3Pa以下，通入工作气体氮气，压力保持在0～0.1Pa；取清洁的双极板置于阳极架4，在阳极架4的正上方设置阴极架6，阴极架6上设置靶材料7，靶材料7和双极板相对设置，靶材料7为固体Ti；阴极架6接入高压电源9，将靶材料7激发成粒子态，被激发出来的粒子带有动能，沿双极板方向运动并沉积在双极板上，得到双极板表面镀有均匀的TiN涂层。其中，靶材料7和双极板的距离在20mm，高压电源9的电压为10KV，靶材料7的沉积时间为4min。
实验组2
镀膜室1内抽真空，压力保持在10-3Pa以下，通入工作气体甲烷，压力保持在0～0.1Pa；取清洁的双极板置于阳极架4，在阳极架4的正上方设置阴极架6，阴极架6上设置靶材料7，靶材料7和双极板相对设置，靶材料7为固体Ti；阴极架6接入高压电源9，将靶材料7激发成粒子态，被激发出来的粒子带有动能，沿双极板方向运动并沉积在双极板上，得到双极板表面镀有均匀的TiC涂层。其中，靶材料7和双极板的距离在20mm，高压电源9的电压为10KV，靶材料7的沉积时间为4min。
实验组3
镀膜室1内抽真空，压力保持在10-3Pa以下，通入工作气体甲烷和氮气的混合气体，压力保持在0～0.1Pa；取清洁的双极板置于阳极架4，在阳极架4的正上方设置阴极架6，阴极架6上设置靶材料7，靶材料7和双极板相对设置，靶材料7为固体Ti；阴极架6接入高压电源9，将靶材料7激发成粒子态，被激发出来的粒子带有动能，沿双极板方向运动并沉积在双极板上，得到双极板表面镀有均匀的TiCN涂层。其中，靶材料7和双极板的距离在20mm，高压电源9的电压为10KV，靶材料7的沉积时间为4min，甲烷和氮气的混合气体的比例为1：1。
对比组1
镀膜室1内抽真空，压力保持在10-3Pa以下；取清洁的双极板置于阳极架4，在阳极架4的正上方设置阴极架6，阴极架6上设置靶材料7，靶材料7和双极板相对设置，靶材料7为石墨；阴极架6接入高压电源9，将靶材料7激发成粒子态，被激发出来的粒子带有动能，沿双极板方向运动并沉积在双极板上，得到双极板表面镀有均匀的石墨涂层。其中，靶材料7和双极板的距离在20mm，高压电源9的电压为10KV，靶材料7的沉积时间为4min。
对比组2
该对比组为空白组，采用无镀层的双极板。
本发明通过对实施例1、实施例2、实施例3、对比组1和对比组2中制备的双极板的电导率进行测量，采用四电极测量方法，用以消除电阻带来的误差。下表1中给出电导率的测量结果。
表1电导率测量结果
| 序号 | 基材5 | 镀层 | 电导率(10<sup>3</sup>S/cm) |
| 实验组1 | 不锈钢(316) | TiN | 32.8 |
| 实验组2 | 不锈钢(316) | TiC | 21.2 |
| 实验组3 | 不锈钢(316) | TiCN | 28.7 |
| 对比组1 | 不锈钢(316) | 石墨 | 0.26 |
| 对比组2 | 不锈钢(316) | 无 | 87.03 |
由表1可知，本发明制备的Ti涂层表面改性的燃料电池双极板相对于对比组1中现有的石墨涂层的双极板在电导率上甚至提高一百倍以上。该改性后的双极板可将气体均匀分配到电极的反应层进行电极反应，保持电池温场均匀。因此，本实施例验证了TiN、TiCN或TiC涂层对双极板的电导率性能的提高。
实施例二
由表1可以看出，TiCN涂层的电导率在TiN涂层和TiC之间。因此，本实施例对影响电导率的因素进行实验，这里的影响因素为工作气体成分因素。
实验组1
镀膜室1内抽真空，压力保持在10-3Pa以下，通入工作气体甲烷和氮气的混合气体，压力保持在0～0.1Pa；取清洁的双极板置于阳极架4，在阳极架4的正上方设置阴极架6，阴极架6上设置靶材料7，靶材料7和双极板相对设置，靶材料7为固体Ti；阴极架6接入高压电源9，将靶材料7激发成粒子态，被激发出来的粒子带有动能，沿双极板方向运动并沉积在双极板上，得到双极板表面镀有均匀的TiCN涂层。其中，靶材料7和双极板的距离在20mm，高压电源9的电压为10KV，靶材料7的沉积时间为4min，甲烷和氮气的混合气体的比例为3：2，TiCN涂层厚度为3μm。
实验组2
该实施例二中该实验组在实验组1的基础上，其他参数不变，改变甲烷和氮气的混合气体的比例，比例为4：3。
实验组3
该实施例二中该实验组在实验组1的基础上，其他参数不变，改变甲烷和氮气的混合气体的比例，比例为1：1。
实验组4
该实施例二中该实验组在实验组1的基础上，其他参数不变，改变甲烷和氮气的混合气体的比例，比例为2：3。
实验组5
该实施例二中该实验组在实验组1的基础上，其他参数不变，改变甲烷和氮气的混合气体的比例，比例为3：4。
下表2中给出电导率的测量结果。
表2电导率测量结果
由表1和表2可知，镀有TiCN涂层的双极板随着氮含量的增加，电导率逐渐提高。由于TiN、TiCN或TiC涂层相当于一个电导聚合物材料，随着Ti和不同含氮材料的化学反应，使得涂层孔径变小，电导率变大。因此，本实施例验证了不同氮掺杂的Ti涂层对双极板的电导率性能的提高。
实施例三
本实施例采用相同的手段对实施例一中的实验组1-3得到的不同TiN、TiCN或TiC涂层的双极板进行耐腐蚀性实验。
本实施例中耐腐蚀测量方法为：用加速酸化试验，分别剪裁2×2cm的镀层后的双极板，放在100mL的0.01mol/L的盐酸中浸泡24h，48h，72h。分别测试溶液中离子析出，以确定该金属板的耐酸抗腐蚀性能。其中，双极板在PEM燃料电池中环境主要是呈酸性。如下表3显示了耐腐蚀测量结果。
表3耐腐蚀测量结果
由表3可知，0～72h内增长不超过200S/cm，且本实施例中的双极板离子析出率且更小，验证了本发明制备的Ti涂层表面改性的燃料电池双极板在耐磨性上明显优于现有的石墨涂层的双极板和未镀层的双极板。
综上所述，本发明中制备的双极板在电导性和耐腐蚀性上均比现有技术中的石墨双极板好。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (10)
1.一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板，其特征在于，所述表面改性的燃料电池双极板以燃料电池的双极板为基材，利用真空溅射镀层技术在所述基材的表面形成均匀的Ti涂层，获得高电导率和耐腐蚀的双极板，所述Ti涂层为TiN、TiCN或TiC材料中的一种；所述TiC、TiCN和TiN的电导率依次增加，且所述TiCN的氮掺杂浓度与自身电导率呈正相关。
2.根据权利要求1所述的一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板，其特征在于：所述Ti涂层的厚度为2～4μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板，其特征在于：所述双极板为不锈钢、钛、铝、铜或银材料中的一种。
4.一种如权利要求1所述的一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、镀膜室内抽真空，并通入工作气体；
S2、取清洁的双极板置于阳极架，在阳极架的正上方设置阴极架，阴极架上设置靶材料，靶材料和双极板相对设置，靶材料为固体Ti；
S3、阴极架接入高压电源，将靶材料激发成粒子态，被激发出来的粒子带有动能，沿双极板方向运动并沉积在双极板上。
5.根据权利要求4所述的一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：在所述S1中，工作气体为含碳气体或氮气中一种或两种组合，所述含碳气体为甲烷或乙炔。
6.根据权利要求4所述的一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：在所述S2中，靶材料和双极板的距离在10～40mm。
7.根据权利要求4所述的一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：在所述S3中，高压电源的电压范围在1～100KV。
8.根据权利要求4所述的一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：在所述S3中，靶材料的沉积时间为1～10min。
9.根据权利要求4所述的一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：在所述S1中抽真空时压力保持在10-3Pa以下，通入工作气体后压力保持在0～0.1Pa。
10.根据权利要求4所述的一种基于Ti涂层表面改性的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：在所述S3中，粒子态的靶材料与工作气体发生化学反应，晶粒成核并长大，形成致密的TiN、TiCN或TiC材料。
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| WO2024066057A1 (zh) * | 2022-09-28 | 2024-04-04 | 深圳先进技术研究院 | 一种表面改性的燃料电池双极板、制备方法及燃料电池 |
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