一种复合预涂层、金属双极板及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合预涂层、金属双极板及制备方法。该复合预涂层包括依次叠置的软质金属层、第一扩散层、过渡金属层、第二扩散层、陶瓷过渡层、第三扩散层和导电碳层；软质金属层的材质为金、银、锡、镁、铟、铜、铝和钇中的任一种。本发明专利技术的复合预涂层界面接触电阻小、导电性好，能有效抵抗冲压过程中的应变力、结合强度高，防止涂层因为冲压而出现剥落开裂的情况，致密性和耐腐蚀性有效提高。致密性和耐腐蚀性有效提高。致密性和耐腐蚀性有效提高。

【技术实现步骤摘要】
一种复合预涂层、金属双极板及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种复合预涂层、金属双极板及制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，简称PEMFC)以氢能为能源，具有功率密度高、效率高、清洁、工作温度低等优点，是一种可以替代传统化石能源的新型动力技术，在固定和运输领域具有广阔的应用前景。
[0003]在汽车燃料电池中，双极板作为核心部件，占总重量的80％
‑
85％，总成本的40％。双极板主要为单个电池组提供机械支撑，分离和引导反应气体，收集电流，排出产品水，管理进水。因此，双极板必须具有高导电性、低渗透性、高导热性和疏水性。与石墨双极板的结构松散、气密性差、机械强度差相比，金属双极板具有导电导热性好、易加工成型等优点，是燃料电池双极板材料的首选。然而，在质子交换膜燃料电池的工作环境中，金属表面形成的多孔钝化膜不能保护双极板且腐蚀产生的金属离子会毒害催化剂，造成PEMFC电池输出性能下降。此外，金属表面在腐蚀后生成的氧化膜增加了界面接触电阻，增加了欧姆极化损耗，进一步降低燃料电池输出性能。因此，需要对金属双极板进行表面改性处理，提高双极板的导电性和耐腐蚀性。
[0004]在现有技术中，通常会在金属双极板表面上沉积导电耐腐蚀的涂层，如贵金属涂层、金属氮化物涂层、金属碳化物涂层、碳基涂层，并且往往会在涂层与金属基材间沉积金属过渡层以提高涂层的结合力和耐腐蚀性。中国专利文献CN112795886A公开了一种用于金属双极板成形的导电耐蚀预涂层及其制备方法，该专利技术制备的离子注入层和扩散处理层能有效提高涂层基材的结合性能，消除涂层缺陷并提高均匀性，避免冲压成板过程中涂层出现开裂剥落的现象。中国专利文献CN110797545B公开了一种金属双极板及其制备方法以及燃料电池，所制备的涂层具有至少两层碳膜，多层碳膜发生协同作用，可以克服每层碳膜沉积的缺陷，提高碳基涂层的结合力、碳基涂层的耐腐蚀性、导电性。上述现有技术虽然能在一定程度上保护金属双极板，使燃料电池在一段时间内能稳定运行。但这些涂层在长期运行后会因为涂层表面的缺陷存在而出现界面接触电阻上升，涂层与基体分离的现象。另外，预涂层工艺使涂层在后续双极板成型过程中会因为应变过大，导致涂层出现开裂剥落的现象，造成腐蚀溶液渗入基材加速腐蚀。
[0005]因此，需要开发一种高导电、耐蚀、以及与金属基材结合力强的涂层来长期有效的保护金属双极板，以使燃料电池长期稳定的运行。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是克服现有的金属双极板涂层界面接触电阻大，涂层与基体分离，涂层开裂剥落，导致基材腐蚀的缺陷，而提供一种复合预涂层、金属双极板及制备方法。本专利技术的复合预涂层界面接触电阻小、导电性好，能有效抵抗冲压过程中的应变力、结合强度高，防止涂层因为冲压而出现剥落开裂的情况，致密性和耐腐蚀性有效提高。
[0007]本专利技术通过以下技术方案解决上述技术问题。
[0008]本专利技术提供了一种复合预涂层，其包括依次叠置的软质金属层、第一扩散层、过渡金属层、第二扩散层、陶瓷过渡层、第三扩散层和导电碳层；
[0009]所述软质金属层的材质为金、银、锡、镁、铟、铜、铝和钇中的任一种。
[0010]本专利技术中，所述第一扩散层一般为所述复合预涂层的制备过程中，所述软质金属层表面的粒子与所述过渡金属层表面的粒子相互扩散形成的层。
[0011]本专利技术中，所述第二扩散层一般为所述复合预涂层的制备过程中，所述过渡金属层表面的粒子与所述陶瓷过渡层表面的粒子相互扩散形成的层。
[0012]本专利技术中，所述第三扩散层一般为所述复合预涂层的制备过程中，所述陶瓷过渡层表面的粒子与所述导电碳层表面的粒子相互扩散形成的层。
[0013]本专利技术中，所述软质金属层的厚度可为10
‑
100nm，例如10nm、12nm、20nm或50nm。
[0014]本专利技术中，所述过渡金属层的厚度可为10
‑
120nm，例如15nm。
[0015]本专利技术中，所述陶瓷过渡层的厚度可为10
‑
120nm，例如12nm。
[0016]本专利技术中，所述导电碳层的厚度可为20
‑
150nm，例如100nm或70nm。
[0017]本专利技术中，所述第一扩散层的厚度一般为1
‑
10nm，例如5nm。
[0018]本专利技术中，所述第二扩散层的厚度一般为1
‑
10nm，例如5nm。
[0019]本专利技术中，所述第三扩散层的厚度一般为1
‑
10nm，例如5nm。
[0020]本专利技术中，在基材的至少一面设置所述复合预涂层，所述软质金属层与所述基材相邻。所述基材可为本领域常规的基材，基材厚度可为本领域常规厚度，一般所述基材为金属基材，所述金属基材可为本领域常规的可制备金属双极板的金属基材，例如，牌号为316L的不锈钢。
[0021]本专利技术中，在基材的至少一面设置所述复合预涂层时，一般所述基材表面的粒子与所述软质金属层表面的粒子会相互扩散形成第四扩散层(即第四扩散层位于预所述基材与所述软质金属层之间)。所述第四扩散层的厚度一般为5
‑
50nm，例如30nm。
[0022]本专利技术中，第一、第二、第三、第四扩散层的厚度与复合预涂层中各层元素的性质(例如元素种类)以及各层的制备工艺(例如镀膜温度)密切相关，根据各层元素的性质以及制备各层工艺操作条件的不同，第一、第二、第三、第四扩散层的厚度也会有所不同。
[0023]本专利技术中，所述软质金属层的材质优选为铜。
[0024]本专利技术中，所述过渡金属层的材质可为本领域常的过渡金属，优选为Cr、Ti和Nb中的任一种，例如Ti。
[0025]本专利技术中，所述陶瓷过渡层的材质可为本领域常规的可作为陶瓷过渡层的物质，优选为过渡金属碳化物和/或过渡金属氮化物。
[0026]其中，所述过渡金属碳化物中的过渡金属优选为Cr、Ti、Nb、Zr、Ta和Mo中的一种或多种。
[0027]其中，所述过渡金属氮化物中的过渡金属优选为Cr、Ti、Nb、Zr、Ta和Mo中的一种或多种，例如TiN。
[0028]本专利技术中，所述导电碳层的材质可为本领域常规的导电碳材料，例如非晶态碳、类石墨碳、类金刚石碳和氢化碳的一种或多种，优选为非晶态碳。
[0029]本专利技术还提供了一种复合预涂层的制备方法，其包括如下步骤：
[0030]S1、在基材的至少一面经一次沉积形成软质金属层；
[0031]在所述软质金属层的表面经二次沉积形成过渡金属层；所述软质金属层的材质为金、银、锡、镁、铟、铜、铝和钇中的任一种；
[0032]在所述过渡金属层的表面经三次沉积形成陶瓷过渡层；
[0033]在所述陶瓷过渡层的表面经四次沉积形成导电碳层；得负载复合预涂层的基材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合预涂层，其特征在于，其包括依次叠置的软质金属层、第一扩散层、过渡金属层、第二扩散层、陶瓷过渡层、第三扩散层和导电碳层；所述软质金属层的材质为金、银、锡、镁、铟、铜、铝和钇中的任一种。2.如权利要求1所述的复合预涂层，其特征在于，其满足下述条件a
‑
g中的一个或多个；a、所述软质金属层的厚度为10
‑
100nm，例如10nm、12nm、20nm或50nm；b、所述过渡金属层的厚度为10
‑
120nm，例如15nm；c、所述陶瓷过渡层的厚度为10
‑
120nm，例如12nm；d、所述导电碳层的厚度为20
‑
150nm，例如100nm或70nm；e、所述第一扩散层的厚度为1
‑
10nm，例如5nm；f、所述第二扩散层的厚度为1
‑
10nm，例如5nm；g、所述第三扩散层的厚度为1
‑
10nm，例如5nm；h、在基材的至少一面设置所述复合预涂层，所述基材与所述软质金属层之间形成第四扩散层；所述基材优选为金属基材，例如，牌号为316L的不锈钢；所述第四扩散层的厚度优选为5
‑
50nm，例如30nm；优选地，所述复合预涂层，同时满足上述条件a
‑
h。3.如权利要求1所述的复合预涂层，其特征在于，其满足下述条件a
‑
d中的一个或多个；a、所述软质金属层的材质为铜；b、所述过渡金属层的材质为Cr、Ti和Nb中的任一种，例如Ti；c、所述陶瓷过渡层的材质为过渡金属碳化物和/或过渡金属氮化物；所述过渡金属碳化物中的过渡金属优选为Cr、Ti、Nb、Zr、Ta和Mo中的一种或多种；所述过渡金属氮化物中的过渡金属优选为Cr、Ti、Nb、Zr、Ta和Mo中的一种或多种，例如TiN；d、所述导电碳层的材质为非晶态碳、类石墨碳、类金刚石碳和氢化碳的一种或多种，优选为非晶态碳；优选地，所述复合预涂层，同时满足上述条件a
‑
d。4.一种复合预涂层的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1、在基材的至少一面经一次沉积形成软质金属层；在所述软质金属层的表面经二次沉积形成过渡金属层；所述软质金属层的材质为金、银、锡、镁、铟、铜、铝和钇中的任一种；在所述过渡金属层的表面经三次沉积形成陶瓷过渡层；在所述陶瓷过渡层的表面经四次沉积形成导电碳层；得负载复合预涂层的基材；所述一次沉积的偏压为
‑
50～
‑
200V；S2、对所述负载复合预涂层的基材进行真空热处理，即可；所述真空热处理之后形成：位于所述软质金属层和所述过渡金属层之间的第一扩散层；位于所述过渡金属层和所述陶瓷过渡层之间的第二扩散层；位于所述陶瓷过渡层和所述导电碳层之间的第三扩散层；以及位于所述基材和所述软质金属层之间的第四扩散层。5.如权利要求4所述的复合预涂层的制备方法，其特征在于，其满足下述条件a
‑
e中的一个或多个；
a、所述一次沉积、所述二次沉积、所述三次沉积和所述四次沉积的沉积方式为反应磁控溅射沉积、化学气相沉积、真空磁控溅射沉积或真空多弧离子镀沉积；优选地，所述一次沉积的沉积方式为真空多弧离子镀沉积；优选地，所述二次沉积的沉积方式为真空多弧离子镀沉积；优选地，所述三次沉积的沉积方式为反应磁控溅射沉积；优选地，所述四次沉积的沉积方式为真空磁控溅射沉积；b、所述软质金属层的材质为金、银、锡、镁、铟、铜、铝或钇，优选为铜；c、所述过渡金属层的材质为Cr、Ti和Nb中的任一种，例如Ti；d、所述陶瓷过渡层的材质为过渡金属碳化物和/或过渡金属氮化物；所述过渡金属碳化物中的过渡金属优选为Cr、Ti、Nb、Zr、Ta和Mo中的一种或多种；所述过渡金属氮化物中的过渡金属优选为Cr、Ti、Nb、Zr、Ta和Mo中的一种或多种，例如TiN；e、所述导电碳层的材质为非晶态碳、类石墨碳、类金刚石碳和氢化碳的一种或多种，优选为非晶态碳。6.如权利要求4所述的复合预涂层的制备方法，其特征在于，其满足下述条件a
‑
j中的一个或多个；a、所述一次沉积的电流0.5
‑
10A，优选为2
‑
8A，例如5A；b、所述一次沉积的偏压为
‑
55～
‑
180V，例如
‑
60V、
‑
70V、
‑
100V或
‑
150V；c、所述一次沉积的压强为0.03
‑
0.1Pa，例如0.06Pa或0.08Pa；d、所述一次沉积的温度为100
‑
300℃，例如150℃、200℃或250℃；e、所述一次沉积的时间为1
‑
300min，优选为1
‑
100min，例如6min；优选地，所述一次沉积的电流为5A，所述一次沉积的偏压为
‑
1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨敏，陈福平，万玲玉，唐道远，汤全丰，
申请(专利权)人：上海电气集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：