具有导电和耐腐蚀特性的涂层制造技术

本发明专利技术涉及一种制品，如在燃料电池中使用的板，其具有其上涂布有涂层的基底，所述涂层是导电的，并且包括基本上碳材料的层和至少一个中间层，所述中间层可以是氮化物、碳化物、金属和金属合金。形成的多层涂层可以以高效和有效的方式保护制品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术涉及一种制品，如在燃料电池中使用的板，其具有其上涂布有涂层的基底，所述涂层是导电的，并且包括基本上碳材料的层和至少一个中间层，所述中间层可以是氮化物、碳化物、金属和金属合金。形成的多层涂层可以以高效和有效的方式保护制品。【专利说明】具有导电和耐腐蚀特性的涂层 本申请所涉及的专利技术是一种用于涂布到制品的至少一个表面上，以为所述表面提 供某些所需特性的涂层。特别地，但不一定是唯一的，所述制品是通过与氧或其他氧化剂的 化学反应将化学能从燃料转化为电能的燃料电池中使用的板。氢是最常见的燃料，但烃类， 如天然气和甲醇等醇类有时主要用于提供电能。本专利技术还提供了用于涂布所述涂层的方 法。 应当注意，虽然现在参照在燃料电池板上使用涂层来说明本专利技术，但该涂层可以 用在其他装置中，例如，电解槽、电池的电极、电镀装置的电极，一般而言可用在可在腐蚀性 介质中使用的装置表面上。 燃料电池包括双极板，它们是堆叠在一起的导电板，具有典型的板作为一个单电 池的阳极和下一个单电池的的阴极。所述板在燃料电池堆中具有许多的功能，其中包括分 离单电池之间的气体，提供导电介质，为反应气体提供流场通道和将热量传递出单电池。要 求所述板是不透气的，具有良好的导电性，耐腐蚀并相对容易大量制造。 通常，需要为这种类型的制品提供良好的导电性，同时，需要将制品的状态保持至 少预定的时间，以便设置具有该制品的装置的寿命具有用于商业目的的可接受的时间。当 考虑到该制品通常用在高腐蚀性介质中并接触到高腐蚀性介质，所述高腐蚀性介质会不利 地影响其状态并因此在显著程度上和在一段相对短的时间内影响制品的性能，应当理解众 所周知需要处理该问题。 通常，已经以不同的方式解决该问题，一种是由能够实现这一点的材料形成板，如 金、钯或碳自身，这在成本、空间、机械性能方面存在一些缺点，或者通过在材料的外表面设 置涂层，这在成本、硬度、空间、机械强度方面具有一些好处，除了在表面导电性方面，或者 至少是暴露在腐蚀性介质中的制品的表面上，该表面由相对昂贵的导电性金属形成，例如 金，其能够保持制品的导电性，同时耐腐蚀性介质的影响。虽然这种形式的涂层可能是有效 的，但其成本意味着包括这些制品形成的装置可能是非常昂贵的和/或结果是被迫将涂层 的厚度减小到使其变得无效这样的程度。尽管存在这些问题和成本，但迄今为止，使用这些 涂层一直是最常用的方法。 在制品的表面上提供导电碳涂层是已知的，本专利技术的目的是对这种形式的涂层提 供改善，以便提供一种在导电性和其他特性方面都具有有益效果的涂层，使其可以进行商 业实施，也可以使所述制品抵抗腐蚀介质的不利影响。所述涂层不仅通过长时间地维持高 水平的导电性确保组件或板的连续操作，还通过将组件或板的表面固有的电阻值减小到低 于未涂布的材料的电阻值，这可以提高在所希望的电压或电流下操作的装置的总的功率密 度容量。 在本专利技术的第一方面提供了制品，所述制品包括由导电性材料形成的基底（base) 或板，和涂布到所述制品上以覆盖其至少一部分外表面的涂层，所述涂层至少在它的外表 面上包括导电性的、基本上碳材料的层和/或贵金属层，并且其中，所述外表面和基底中间 设置至少一个一种或多种导电性材料的中间层。 在一个实施方案中，所述至少一个中间层是氮化物和/或碳化物的层。在一个实 施方案中，所述至少一个氮化物和/或碳化物材料的层位于与所述制品的基底的外表面接 触的位置。在一个实施方案中，除氮化物和/或碳化物以外或代替氮化物和/或碳化物，所 述涂层包括金属或金属合金。在一个实施方案中，金属或金属合金是Ti或NiCr的任一种 或者任意组合。 在一个实施方案中，当所述涂层中包括贵金属时，所用的金属是金。 在一个实施方案中，设置贵金属层的位置，从而将碳材料涂布在其上以形成涂层 的外表面。 在一个实施方案中，邻近于碳层的中间层与所述涂层的碳层之间的过渡是分级 (graded)的。在一个实施方案中，提供了金属或金属合金层，在所述金属或金属合金层上涂 布基本上为碳的层。在一个实施方案中，金属或金属合金层和碳层在组成上和/或结构上 是分级的。提供这种形式的层有助于在后续的机械加工过程中获得改进的成型性和制品的 冲压性，并因此保留了涂层的完整性和功能性。在一个实施方案中，所述涂层的至少一部分 基于密度和/或sp2/sp3碳键比分级。 此外或可选地，在氮化物和碳材料之间设置了可识别的界面。 典型地，氮化物和/或碳化物层用于提供涂层与基底的粘附、基底材料的屏障层 和/或基底材料的腐蚀保护以及在制造和服役期间的增强的机械耐用性中的任一种或任 意组合。所述涂层还提供了改进的冲压性，所述涂层能够更容易地形成和成形，以适合特定 的目的，例如成形为作为用于燃料电池板的涂层，同时确保所述涂层本身保持它的完整性， 在形成和/或冲压过程中降低涂层破裂或失败的风险。 在一个实施方案中，所述涂层的碳层至少在该涂层的外表面上和/或邻接于该涂 层的外表面处基本上是石墨SP2的形式，所述涂层具有高的机械完整性。 在一个实施方案中，所述涂层的硬度和/或弹性模量是分级的，从相对较软且可 成型的涂层的内部，到相对较硬的涂层的外表面。 在一个实施方案中，对其上涂布涂层的所述基底的表面进行预处理以提供所需的 表面形貌，以帮助该涂层粘附到基底上和/或增大制品的导电性和/或影响可能涂布的一 个或多个上层的随后的成核和生长。 在本专利技术的另一方面，所述制品以燃料电池的双极板的形式提供，所述板至少部 分地涂布有基本上无定形碳的化学稳定的涂层，具有表面层，表面层对水的接触角范围为 30°至150°，优选30°至90°，并且再进一步优选为30°至50°的范围内。 在一个实施方案中，所述板由金属或金属合金形成。 在一个实施方案中，其上将要涂布所述涂层的基底的层和/或任何涂层子层掺杂 有金属原子。 在本专利技术的另一个方面，所述制品以燃料电池的双极板的形式提供，具有纳米层 状结构的涂层。 在一个实施方案中，所述纳米层状结构由单个厚度为2-100nm的层构成。在一个 实施方案中，所述纳米层从金属含量为x(x> 10)原子百分比到零分级。 在一个实施方案中，所述涂层包括交替的非氢化的无定形碳和混合碳-金属层和 /或碳化合物层。 在一个实施方案中，所述化合物是导电性氮化物、碳化物或碳氮化物，最优选的是 过渡金属的化合物，包括但不限于TiN、CrN、ZrN、TiC或TiCN。在一个实施方案中，所述化 合物层的界面接触电阻（ICR) < 25mQcm2,并优选< 15mQcm2,再进一步优选< lOmQcm2。 在一个实施方案中，所述非氢化的无定形碳层的ICR < 15mΩ cm2。 优选地，混合碳-金属层中的金属是铬、钛、锆或铌。 在一个实施方案中，所述混合碳-金属层的金属含量为0. 1至10原子％。 在本专利技术的又一个方面，提供了一种制品，其包括板或基底，至少部分地涂布有化 学稳定的无定型碳的涂层，所述涂层的表面积大于表观面积或投影面积的30倍以上和高 达50倍，形成高表面积（HSA)的涂层。可以控制高表面积的涂层的提供，以便提供具有特 定特性的涂层，例如控制涂层的亲水性。 另外或可替代地，可以将涂层的表本文档来自技高网...

【技术保护点】
制品，所述制品包括由导电性材料形成的基底或板，和涂布到所述制品上以覆盖其至少一部分外表面的涂层，所述涂层至少在它的外表面上包括导电性的、基本上碳材料的层和/或贵金属层，并且其中，所述外表面和基底中间设置至少一个一种或多种导电性材料的中间层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·库克，G·埃琴格，S·费尔德，H·孙，
申请(专利权)人：梯尔镀层有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB