一种具备导电耐腐蚀碳基涂层的燃料电池金属双极板及其制备方法技术

本发明专利技术关于一种燃料电池金属双极板导电耐腐蚀碳基涂层及其制备方法，涉及燃料电池技术领域。一种燃料电池金属双极板导电耐腐蚀碳基涂层，包括金属基板、金属过渡层和导电耐腐蚀复合夹层。导电耐腐蚀复合夹层由导电层、碳夹层和耐腐蚀层组成。金属过渡层位于金属基板上，用于增强涂层和基体之间的结合力。导电层沉积在金属过渡层上，碳夹层沉积在导电层上以降低涂层内部应力。降低涂层内部应力。降低涂层内部应力。

【技术实现步骤摘要】
一种具备导电耐腐蚀碳基涂层的燃料电池金属双极板及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种燃料电池
，具体是一种具备导电耐腐蚀碳基涂层的燃料电池金属双极板及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fule Cell，PEMFC)是一种通过电化学反应产生电能的电化学装置。PEMFC作为一种新兴的、突出的清洁电源，具有低温、低压、启停时间短、噪声低、效率高等优点，是构建绿色低碳、社会绿色转型的重要推手，在新能源领域具有很大的发展前景。
[0003]双极板是PEMFC中重要的多功能部件，约占80％的电池电堆体积、70％的质量以及30％的成本。双极板的作用是分割反应气体，收集电化学反应产生的电子，排出热量和废气等。根据双极板材料的不同，主要分为石墨双极板、金属双极板以及复合双极板。金属双极板具有高机械强度、高导电性、低气密性、低成本、易加工等优势，被新能源车企广泛应用。然而，在强酸(pH 2
‑
5)、高温(70℃)、高湿度的工作环境下，金属双极板极易腐蚀，溶解的金属离子造成催化剂中毒；同时，腐蚀表面钝化膜增加了气体扩散层(GDL)与双极板之间的界面接触电阻(ICR)，降低了电堆的输出功率。为了克服这些问题，研究人员在涂层技术上进行了大量地的研究，如金属碳化物涂层、贵金属涂层、导电聚合物涂层等。但现有涂层的性能均不能达到预想的性能。

技术实现思路

[0004]基于上述问题，本专利技术提出了一种具备导电耐腐蚀碳基涂层的燃料电池金属双极板及其制备方法。
[0005]金属双极板包括：金属基板、金属过渡层、导电耐腐蚀复合夹层；其中，所述导电耐腐蚀复合夹层依次由导电层、碳夹层、耐腐蚀层组成，所述导电层的sp2含量大于耐腐蚀层的sp2含量；所述碳夹层沉积在导电层与耐腐蚀层之间，呈夹层结构。
[0006]进一步地，所述金属基板为不锈钢、钛、铝中的一种或多种。
[0007]进一步地，所述金属过渡层中的金属材料为铬、钛、钨中的一种或多种，其作用是增强涂层与金属基板的结合力。
[0008]进一步地，所述导电耐腐蚀复合夹层由导电层、碳夹层、耐腐蚀层组成。
[0009]进一步地，所述导电耐腐蚀复合夹层中导电层的sp2含量大于耐腐蚀层的sp2含量。
[0010]进一步地，所述导电耐腐蚀复合夹层中的导电层为碳化铬、碳化钛非晶碳层中的一种或多种。
[0011]进一步地，所述导电耐腐蚀复合夹层中的碳夹层为类石墨层、类金刚石层中的一种或多种。
[0012]进一步地，所述导电耐腐蚀复合夹层中的耐腐蚀层为碳化铬、碳化钛非晶碳层中的一种或多种。
[0013]进一步地，所述金属双极板导电耐腐蚀涂层由磁控溅射工艺制备。
[0014]优选地，所述金属过渡层厚度为20～50nm。
[0015]优选地，所述导电耐腐蚀复合夹层中的导电层厚度为200nm
‑
400nm。
[0016]优选地，所述导电耐腐蚀复合夹层中的碳夹层厚度为50nm
‑
100nm。
[0017]优选地，所述导电耐腐蚀复合夹层中的耐腐蚀层厚度为150nm
‑
200nm。
[0018]本专利技术还提供了一种金属双极板导电耐腐蚀涂层的制备方法，具体步骤如下：
[0019](1)将金属双极板基板依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗20分钟，烘干后固定在样品架上，在真空度达到6.0
×
10
‑4～8.0
×
10
‑4Pa后，通入一定量的氩气，在偏压
‑
300～
‑
500V下，利用Ar离子辉光放电刻蚀基体30min。
[0020](2)打开金属靶电流在金属双极板基板上沉积金属过渡层，金属靶电流为0～5A，氩气流量为30～60sccm，偏压为
‑
70～
‑
150V，沉积时间为1～10min。
[0021](3)关闭金属靶电流，打开碳靶电流和铬/钛靶电流，在金属过渡层上沉积导电层，碳靶电流为0～5A，铬/钛靶电流为0～5A，氩气流量与偏压不变，沉积时间为20～30min。
[0022](4)保持碳靶电流不变，关闭铬/钛靶电流，在导电层上沉积碳夹层，氩气流量与偏压不变，沉积时间为10～20min。
[0023](5)保持碳靶电流不变，打开铬/钛靶电流，在碳夹层上沉积导电层，铬/钛靶电流为0～2A，氩气流量与偏压不变，沉积时间为10～20min。
[0024]金属过渡层位于金属基板上，用于增强涂层和基体之间的结合力。导电层沉积在金属过渡层上，碳夹层沉积在导电层上以降低涂层内部应力。耐腐蚀层沉积在碳夹层上。导电层、耐腐蚀层均为非晶碳涂层，非晶碳涂层中碳原子有sp2和sp3两种杂化类型，同时具有石墨和金刚石的性能，通过调节导电层和耐蚀层的sp2/sp3含量，实现了涂层具备优异的导电性能和耐蚀性能，又提高金属双极板的使用寿命。
[0025]本专利技术提出了一种燃料电池金属双极板导电耐腐蚀碳基涂层及其制备方法。导电耐腐蚀涂层采用金属过渡层、导电层、碳夹层、耐腐蚀层的结构设计。通过调控导电层、耐腐蚀层的sp2含量，充分发挥出非晶碳层特性，实现涂层优异的导电性和耐腐蚀性，同时，导电层、碳夹层、耐腐蚀层的复合夹层设计，显著降低了涂层内部出现的高应力，进而提高了金属双极板的使用寿命。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的涂层分布示意图。
[0027]1.金属基板，2.金属过渡层，3.导电层，4.碳夹层，5.耐腐蚀层。其中3、4、5组成结构A，A.导电耐腐蚀复合夹层。
具体实施方式
[0028]为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳实施方式。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本专利技术的公开内容理解的更
加透彻全面。
[0029]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0030]本专利技术提供一种燃料电池金属双极板导电耐腐蚀碳基涂层，所述金属双极板包括：金属基板、金属过渡层、导电耐腐蚀复合夹层。
[0031]进一步地，所述金属基板为不锈钢、钛、铝中的一种或多种。
[0032]进一步地，所述金属过渡层中的金属材料为铬、钛、钨中的一种或多种，其作用是增强涂层与金属基板的结合力。
[0033]进一步地，所述导电耐腐蚀复合夹层由导电层、碳夹层、耐腐蚀层组成。
[0034]进一步地，所述导电耐腐蚀复合夹层中导电层的s本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具备导电耐腐蚀碳基涂层的燃料电池金属双极板，其特征在于，金属双极板包括：金属基板、金属过渡层、导电耐腐蚀复合夹层；其中，所述导电耐腐蚀复合夹层依次由导电层、碳夹层、耐腐蚀层组成，所述导电层的sp2含量大于耐腐蚀层的sp2含量；所述碳夹层沉积在导电层与耐腐蚀层之间，呈夹层结构。2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述金属过渡层厚度为20～50nm。3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述金属过渡层厚度为所述导电耐腐蚀复合夹层中的导电层厚度为200nm
‑
400nm。4.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述导电耐腐蚀复合夹层中的碳夹层厚度为50nm
‑
100nm。5.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述导电耐腐蚀复合夹层中的耐腐蚀层厚度为150nm
‑
200nm。6.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述金属过渡层中的金属材料为铬、钛、钨中的一种或多种。7.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述导电耐腐蚀复合夹层中的导电层为碳化铬、碳化钛非晶碳层中的一种或多种。8.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述导电耐腐蚀复合夹层中的碳夹层为类石墨层、类金刚石层中的一种或多种。9.用于制备权利要求1
‑
8任一项双极板的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.前处理：将...

【专利技术属性】
技术研发人员：万忠明，朱熙，王正，陈伊宇，孔祥忠，王利华，黄泰明，
申请(专利权)人：湖南理工学院，
类型：发明
国别省市：