用于燃料电池不锈钢双极板金属氮化物涂层的制备方法与流程

本发明涉及一种不锈钢双极板表面改性涂层的制备方法，特别涉及是一种用于燃料电池不锈钢双极板金属氮化物涂层的制备方法。

背景技术：

燃料电池因其具有较高的功率密度、安全环保等优点备受各国政府和科研机构重视。其中，质子交换膜燃料电池(pemfc)具有能量转换效率高、零排放、室温启动快、噪音低和比功率高等优点，被认为是用于可移动式电源、备用电源、车载电源、固定式电站等领域的理想装置。

双极板是质子交换膜燃料电池的重要组成部件，需要同时具备较高的耐蚀性和优良的导电性。传统石墨双极板由于生产成本太高，因此寻找一种可以替代石墨双极板的材料成为人们的研究热点。金属材料双极板被认为是燃料电池车用的必然选择。其中不锈钢因其具有良好的导电能力和导热能力，而且强度高、成本低、材料来源广、易于加工，可以降低燃料电池双极板的厚度，提高燃料电池的输出功率和使用寿命，同时不锈钢的气体不透过率可以将电池中的燃料和氧化剂分隔开来，非常适合用来制备质子交换膜燃料电池双极板材料。但不锈钢不仅自身电阻较高，而且表面钝化膜及腐蚀产物产生附加电阻，使得与气体扩散层之间的接触电阻较大。其次，不锈钢在pemfc工作环境下耐蚀性较差，腐蚀产物会毒化质子交换膜，降低电池性能和寿命。为此，国内外学者尝试多种表面改性方法在不锈钢表面形成保护涂层，使不锈钢双极板与气体扩散层之间的接触电阻降低，同时提高不锈钢双极板的耐蚀性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种工艺简单且具有优异耐蚀性能和降低表面接触电阻的金属氮化物涂层的制备方法。

一种用于燃料电池不锈钢双极板金属氮化物涂层的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)、将不锈钢进行机械抛光处理后，分别在无水乙醇、丙酮、去离子水中超声20min除油除污，吹干备用；

(2)、将cr2n粉末、al2o3粉末、nh4cl粉末以一定的质量比混合后放入球磨罐中球磨，备用；

(3)、将步骤(1)得到的不锈钢埋入填有步骤(2)得到的混合粉末的氧化铝坩埚中，用耐高温水泥密封后放入干燥箱中干燥；

(4)、将坩埚放入管式炉中，在1000～1100℃惰性气氛下加热2～6h，最终在不锈钢表面得到一层光亮、致密的金属氮化物涂层。

所述步骤(1)中机械抛光所用砂纸为400目～2000目。

所述步骤(2)中混合粉末中cr2n含量为10％～50％、al2o3含量为45％～89％、nh4cl含量为1～5％，其中cr2n、al2o3粉末粒度小于40μm，球磨时间1～6h，转速300～900r/min。

所述步骤(3)中干燥温度为120℃，时间1～2h。

所述步骤(4)中加热在氩气或氮气气氛下的气氛炉中进行，升温速率5℃～10℃/min。

所述的不锈钢为316l不锈钢，不锈钢表面得到金属氮化物涂层是cr2n涂层且涂层厚度为2～6μm。

本发明的有益效果是：

1.本发明是通过粉末包埋渗法在不锈钢双极板表面原位沉积得到致密的金属氮化物涂层，一方面提高了不锈钢双极板的耐腐蚀性能，另一方面降低了不锈钢双极板与气体扩散层之间的接触电阻；

2.装置简单，操作简便，成本低，适合于双极板商业化生产。

附图说明

图1为样品表面的xrd图；

图2为本发明在1100℃条件下改性前后316l不锈钢与碳纸之间的接触电阻比较；

图3为在1100℃条件下改性前后316l不锈钢在80℃下0.5mh2so4+5ppmf^-溶液中的动电位极化曲线；

图4为在1100℃条件下改性前后316l不锈钢在80℃下0.5mh2so4+5ppmf^-溶液中的恒电位极化曲线；

图5为在1100℃实验条件下改性后不锈钢表面sem图。

图6为在1100℃实验条件下改性后不锈钢截面sem图。

具体实施方式

实施例1：

(1)、取1mm厚的316l不锈钢经机械抛光后分别在无水乙醇、丙酮、去离子水中超声20min除油除污后，吹干备用；

(2)、将cr2n粉末、al2o3粉末、nh4cl粉末以35:63:2的质量比混合并以300r/min的转速球磨1h，备用；

(3)、将步骤(1)得到的不锈钢埋入填有步骤(2)得到的混合粉末的氧化铝坩埚中，用耐高温胶密封后放入干燥箱中120℃干燥1h；

(4)、将坩埚放入管式炉中，在1100℃惰性气氛下加热3h，炉冷后取出；

性能检验：在150n/cm²压力条件下，测得接触电阻约为8.7mωcm²；在模拟pemfc工作环境下，测得腐蚀电流密度约为3×10^-8a/cm²。

实施例2：

(1)、取0.7mm厚的316l不锈钢经机械抛光分别在无水乙醇、丙酮、去离子水中超声20min除油除污后，吹干备用；

(2)、将cr2n粉末、al2o3粉末、nh4cl粉末以40:58:2的质量比混合并以500r/min的转速球磨2h，备用；

(3)、将步骤(1)得到的不锈钢埋入填有步骤(2)得到的混合粉末的氧化铝坩埚中，用耐高温水泥密封后放入干燥箱中干燥1h；

(4)、将坩埚放入管式炉中，在1050℃惰性气氛下加热4h，炉冷后取出；

性能检验：在150n/cm²压力条件下，测得接触电阻约为12mωcm²；在模拟pemfc工作环境下，测得腐蚀电流密度约为6×10^-8a/cm²。

实施例3：

(1)、取1mm厚的316l不锈钢经机械抛光分别在无水乙醇、丙酮、去离子水中超声20min除油除污后，吹干备用；

(2)、将cr2n粉末、al2o3粉末、nh4cl粉末以20:78:2的质量比混合并以600r/min的转速球磨4h，备用；

(3)、将步骤(1)得到的不锈钢埋入填有步骤(2)得到的混合粉末的氧化铝坩埚中，用耐高温水泥密封后放入干燥箱中干燥1h；

(4)、将坩埚放入管式炉中，在1000℃惰性气氛下加热3h，炉冷后取出；

性能检验：在150n/cm²压力条件下，测得接触电阻约为15mωcm²；在模拟pemfc工作环境下，测得腐蚀电流密度约为9×10^-8a/cm²。