用于燃料电池金属双极板的预涂镀金属卷带的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于燃料电池金属双极板的预涂镀金属卷带的制备方法；包括选用精密金属卷带材料作为待涂镀基带，对基带表面预处理；采用“卷对卷”物理气相沉积在预处理后基带的一侧表面先沉积镍、钛等过渡涂层，再沉积石墨化涂层；所述基带的另一侧表面重复步骤S2的操作，即得到双面都具有预涂镀层的金属卷带。该制得的预涂镀金属带可经模具高速冲压成型成具有预设流场及外形的双极板。两片单极板(阳/阴板)焊接以后，形成一个完整的双极板，最后直接组装到燃料电池堆当中去。本发明专利技术的金属基卷带能满足燃料电池对双极板各项性能要求，且极大地提高生产效率，降低50％以上的生产成本，真正达到加速燃料电池产业的商业化和产业化的目的。

Preparation of Pre-coated Metal Coil for Fuel Cell Metal Bipolar Plate

【技术实现步骤摘要】
用于燃料电池金属双极板的预涂镀金属卷带的制备方法
本专利技术涉及一种用于燃料电池金属双极板的预涂镀金属卷带的制备方法。
技术介绍
新能源作为国家重点发展战略布局方向，燃料电池就是其中的代表，它也是最清洁能源之一。在众多类型燃料电池中，尤其以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为得重点发展方向。PEMFC最关键的大部件就是电堆，而双极板则又是电堆中的两大核心部件之一，占电堆成本的三分之一左右。目前，双极板相对成熟的材料是纯石墨基质和石墨复合基质，但由于其加工性效率低下，即制造成本高(CNC开槽)，体积大，易碎，能量密度低，机械强度低等先天劣势，将会制约燃料电池在汽车领域、清洁能源发电中的应用。鉴于燃料电池对电能密度、轻量化、低成本、安全性、高强度和高生产效率要求，金属基质的双极板才是重点应用方向。当前制备金属双极板的工艺以间歇式生产为主，即金属片材单片冲压成型，两片单极板(阳极与极)焊接以后，再进行单幅双极板的表面预处理和涂层加工，达到导电、耐电化学腐蚀、防氢渗的目的。通过对现有专利文献的检索发现，申请号201610984083.1的中国专利技术专利申请公开了一种用于制备燃料电池金属双极板非晶碳膜磁控溅射连续线，其制备金属双极板非晶碳膜生产效率高、薄膜质量好、成本低。然而，它是其片状物的磁控溅射连续涂镀工艺，只是相比于单体炉涂镀有了显著效率上的提升。申请号201420550233.4的中国专利技术专利申请公开了一种改良型燃料电池石墨双极板；包括用于与燃料电池的阳极配合使用的石墨双极板，在所述石墨双极板面向阳极的第一表面上设置有若干凹槽，每一凹槽的两侧内壁及底部限定形成阳极反应物气体流道，在所述阳极反应物气体流道的表面上设置有疏水涂层。然而，其是基于石墨材质的双极板，它不利于复杂形状的生产，且生产效率也非常低下，成本高，不利用商业化目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于适应燃料电池的大规格化生产，提供一种用于燃料电池金属双极板的预涂镀金属卷带的制备方法；通过这种方法制得的预涂层金属卷带，只需使用原有的双极板流场及外形成型模具，就能实现连续式的高速成型(包括机械式压力机、伺服机械式压力机、伺服液压机等)阳/阴极板，阳/阴极板通过激光焊接以后，无需再涂镀即可直接组装到燃料电池堆当中。在快速发展的PEMFC的今天，本专利技术的这种“卷对卷”涂镀层的金属基薄金属带能适应连续化、工业化成型生产，达到加速燃料电池产业的商业化和产业化的目的。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：本专利技术涉及一种预涂镀精密金属卷带的制备方法，所述方法包括如下步骤：S1、选用精密金属卷带材料作为待涂镀基带，对基带表面进行预处理；S2、采用“卷对卷”物理气相沉积在预处理后的基带的一侧表面先沉积过渡涂层(镍、钛等过渡涂层)，再沉积石墨化涂层，得到单面预涂镀金属卷带；S3、所述基带的另一侧表面重复步骤S2的操作，得到双面预涂镀金属卷带。本专利技术中涉及的是“卷到卷”式的连续涂镀，而且是放卷和收卷装置都在空气环境中，涂镀过程却在是高真空环境之下的连续涂镀生产。本专利技术中，所有涂层根本目的在于该图层具有导电性好、耐腐蚀能力强(包括电化学腐蚀)等优点。优选的，步骤S1中，选用的精密金属带材料是一种奥氏体不锈钢系列和镍基合金钢系列。优选奥氏体不锈钢卷带或镍基合金钢卷带作为基带，厚度为0.07-0.5mm，优选0.1mm,宽度为≤1250mm。更优选不锈钢SUS316L作为基带。优选的，选用的精密金属带材料的表面粗糙度Ra值为0.03-0.4um，平坦度≤3mm/m2，直线度≤2mm/m，抗拉强度为570±100Mpa，屈服强度≥200Mpa，硬度为130～200HV，伸长率≥45％。本专利技术中，所述预涂镀的涂镀层具有良好的导电性能，导电率至少是50S/cm，优选大于110S/cm；涂层结晶粒子直径小于0.8um，优选0.5um以下；电化学腐蚀电流(尤指质子交换膜燃料电池)小于1uA/cm2。优选的，步骤S1中，所述预处理包括工业纯水刷洗、超声波清洗、等离子清洗、辉光放电处理。步骤S2中，物理气相沉积法采用的电子束蒸发或磁控溅射方法。优选的，步骤S2中，物理气相沉积的过渡涂层(钛、镍铬及其它)可采用电子束蒸发工艺或是磁控溅射方法，以镍铬合金、纯钛靶材来实现的；所述镍铬合金过渡涂层的厚度为20-1000纳米。优选的过镀层厚度为300纳米。优选电子束蒸发工艺。以钛、镍铬合金、石墨等靶材来实现的；所述涂层(图2)的总厚度大于50纳米以上，且非常致密。本专利技术体系采用电子束蒸发工艺，使得镀层致密性比磁控溅射涂镀更好。优选的，步骤S2中，物理气相沉积石墨化涂层是采用电子束蒸发方法连续涂镀，通过高纯石墨(石墨纯度大于99.9％)作为靶材，将石墨中的碳主要以SP2杂化结构形式存在，形成可导电和耐腐蚀的膜层。更优选，所述石墨化涂层的厚度大于200纳米。优选的石墨纯度99.999％，优选的石墨化涂层厚度1000纳米。优选的，步骤S2中，物理气相沉积石墨化涂层时石墨镀膜腔体中的工作温度在350-450℃之间。这也是碳原子的SP3更多变成SP2杂化轨道，形成可导电和耐腐蚀的膜层的关键。优选的，步骤S2中，物理气相沉积过渡涂层之前还包括采用廉价金属带升温、抽真空和试制，待金属卷带镀层质量稳定之后将预涂镀基带与引带连接的步骤。优选的，步骤S3中还包括将制得的预涂镀不锈钢带经连续式级进模具或是工程模高速冲压成型成具有预设流状及外形的双极板的步骤。本专利技术还涉及一种前述方法制得的预涂镀精密金属卷带在制备燃料电池金属双极板、化学电池电极、其他化学电池电极或电子产品电极中的用途。本专利技术涉及的金属及涂层具有双极板需求的特性：-低接触电阻(导电率大于110S/CM)-耐腐蚀性好(腐蚀电流密度1≤uA/cm2)-表面无针眼,无裂纹(在1000倍电镜下观测)-涂层附着力好(百格以后达到O级标准)--相比电镀涂层，它是一种环境友好型的生产工艺过程。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术的镀层钢带采用的是在真空环境下的物理气相沉积工艺制得，整个生产过程都没有任何污染；2、本专利技术的预涂钢带用于质子交换膜燃料电池中的双极板具有以下优势：1)同样体积大小的燃料电池电堆，金属电堆产生的功能密度是石墨电堆的2倍；因为，金属双极板的厚度约1mm左右，而石墨双极板的厚度约为2mm左右，在同等体积下，金属双极的串联数量更多，从而产生更多的电量；2)与石墨双极板相比，金属双极板不会碎裂；3)与单片金属双极板制作相比，经过预涂镀的金属带，可以大规模化生产；4)与间歇式涂镀或是板状连续涂镀相比，经过预涂镀的金属卷带，可以大大降低燃料电池的成本；3、本专利技术除了可以应用在燃料电池行业，同时，还可应用其它化学电池、太阳能电池及电子部件的电极领域。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征目的和优点将会变得更明显。图1为本专利技术的预涂镀金属卷带的制备工艺流程图；图2为本专利技术的预涂镀金属卷带的涂层示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预涂镀精密金属卷带的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1、选用精密金属带材料作为待涂镀基带，对基带表面进行预处理；S2、采用“卷对卷”物理气相沉积在预处理后的基带的一侧表面先沉积过渡涂层，再沉积石墨化涂层，得到单面预涂镀金属卷带；S3、所述基带的另一侧表面重复步骤S2的操作，即得到双面预涂镀的金属卷带。

【技术特征摘要】
1.一种预涂镀精密金属卷带的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1、选用精密金属带材料作为待涂镀基带，对基带表面进行预处理；S2、采用“卷对卷”物理气相沉积在预处理后的基带的一侧表面先沉积过渡涂层，再沉积石墨化涂层，得到单面预涂镀金属卷带；S3、所述基带的另一侧表面重复步骤S2的操作，即得到双面预涂镀的金属卷带。2.根据权利要求1所述的预涂镀精密金属卷带的制备方法，其特征在于，步骤S1中，选用的精密金属带材料是厚度为0.07-0.5mm，宽度为≤1250mm的奥氏体不锈钢卷带或镍基合金钢卷带。3.根据权利要求2所述的预涂镀精密金属卷带的制备方法，其特征在于，选用的精密金属带材的表面粗糙度Ra值为0.03-0.4um，平坦度≤3mm/m2，直线度≤2mm/m，抗拉强度为570±100Mpa，屈服强度≥200Mpa，硬度为130～200HV，伸长率≥45％。4.根据权利要求1所述的预涂镀精密金属卷带的制备方法，其特征在于，所述预涂镀的涂镀层导电率至少大于50S/cm，涂层结晶粒子直径小于0.8um，电化学腐蚀电流小...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永飞，
申请(专利权)人：上海佑戈金属科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31