一种燃料电池复合纳米涂层及其镀制方法技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池复合纳米涂层及其镀制方法，该复合纳米涂层为镶嵌有金属碳化物的非晶碳涂层，通过燃料电池金属极板表面预处理、沉积复合纳米涂层等步骤镀制得到。与现有技术相比，本发明专利技术可以提高离化率从而提高碳化物的形成的几率，同时高的离化率提高粒子对基体材料的轰击，从而提增强膜基结合力以及致密性，避免裂纹、穿孔等缺陷，同时仍然具有良好的导电性，能够满足燃料电池金属极板的使用要求。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池复合纳米涂层及其镀制方法
本专利技术涉及燃料电池
，尤其是涉及燃料电池金属极板碳化物-非晶碳复合纳米涂层及采用多弧离子镀进行制备的方法。
技术介绍
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的启动速率快、能量转化效率高、环境友好的发电装置，在不久的将来能够广泛应用于交通、电子、国防等领域。质子交换膜燃料电池包括电极。电解质隔膜、双极板、气体扩散层的那个主要部件极板是燃料电池的关键组件之一，主要起着支撑膜电极、分配反应气体、收集电流、分隔氧化剂和还原剂、传导热量、排出产物水的作用。燃料电池在强酸性环境下运行，pH值在0～3.5之间，并且含有0.1～1MH2SO4、1～5ppmF-以及少量的其他离子。因此要求极板具有一定的强度、良好的导电性、抗腐蚀性、气体不透过性目前用于极板的材料主要是石墨、金属和碳基复合材料。金属材料具有良好的导电导热性、较高的机械强度，成形容易、加工成本低等优点，因此近年来燃料电池金属极板研究为主要方向。但金属极板在燃料电池强酸性、高湿度、高温度的条件下运行，容易发生腐蚀，金属离子降解导致催化剂中毒，影响反应的进行。此外，金属极板表面会形成一层钝化膜，极大的增加了极板与气体扩散层的接触电阻，降低极板性能。因此，金属极板的广泛应用，对其耐腐蚀性和运行过程中导电性的保持成为一个重要的研究课题。现在公开技术中，提高金属极板耐腐蚀性和导电性主要由三种途径：(1)金属极板表面组织成分的改变；(2)金属极板表面改性；(3)在金属极板表面镀一层或多层膜。目前，采用真空溅射镀膜、真空蒸发镀膜、多弧离子镀膜、化学气相沉积、离子注入与离子辅助沉积等技术在金属极板表面制备一层或多层保护膜是研究的热点。专利公开号CN102800871A公开了采用闭合场非平衡磁控溅射技术在不锈钢极板表面沉积碳铬阶梯镀层，通过调节Cr靶、C靶电流、氩气流量及基体偏压等工艺参数来调整阶梯镀层成分，大幅提高了金属极板的耐腐蚀性能，降低了接触电阻。专利CN103132026A通过阴极弧离子镀在基体上面制备AlCrN涂层提高了涂层的致密性，此类涂层运用离子镀有较好的结合力涂层缺陷比较少，但是没有减小基体的接触电阻。专利CN101393991A采用离子注入的方法将铜离子注入不锈钢薄板中，在不锈钢薄板表面几十纳米范围内形成注入层，降低了金属极板额腐蚀电流密度。专利CN105047975A提出通过在表面沉积连续绝缘层和不连续的导电颗粒相结合的表面处理工艺，形成了致密的保护层的同时降低了接触电阻，其不连续导电颗粒是通过等离子体热喷涂技术制得的。但是这类薄膜缺陷较多，没有较好的提高极板耐腐蚀性能。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池复合纳米涂层以及采用多弧离子镀进行涂层镀制的方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池复合纳米涂层，为镶嵌有金属碳化物的非晶碳涂层，其中的非晶碳提供较好的导电性，碳化物提供较好的耐腐蚀性，复合纳米涂层的厚度为50-100nm。作为优选的实施方式，金属碳化物为碳化物的纳米结构层，包括但不仅限于Cr2C3、TiC、Cr7C3、VC或NbC，由于非晶碳涂层能够保证表面较低的接触电阻，在此涂层中镶嵌如金属碳化物例如TiC，能同时得到很好的耐腐蚀性能，并且导电性也较好，从而得到更加优良的极板涂层。一种燃料电池复合纳米涂层的镀制方法，采用以下步骤：(1)燃料电池金属极板表面预处理：极板经冲压成形，再进行清洁，最后用超声波处理；(2)沉积复合纳米涂层：在通入氩气的同时通入乙炔、甲烷或丁烷气体，通过多弧离子镀技术利用金属靶材在一定真空度的真空腔内，在金属极板表面沉积复合纳米涂层。作为优选的实施方式，步骤(2)中所述的金属靶包括钛靶、铬靶、镍靶、铌靶、铬碳靶或钛碳靶，多弧离子镀技术控制真空度为10-4-10-1Pa，偏压幅值为-100～-500V，金属靶的靶电流为50-100A，氩气分压：2×10-1-8×10-1Pa，乙炔、甲烷或丁烷分压：1×10-1-4×10-1Pa，金属极板温度：200-1000℃，沉积时间在10-50min。所述的氩气在靠近金属靶的通气口中通入，所述的乙炔、甲烷或丁烷气体在靠近金属极板的通气口中通入，在靶材和金属极板之间有磁控通道，这样做的优点在于氩气接近靶材能够较好的保持弧光发电，维持等离子体，磁控通道作用在于减少由于弧光放电金属靶材表面飞溅的宏观颗粒，而乙炔、甲烷或丁烷作为反应气体，当金属离子通过磁过滤系统后，与乙炔、甲烷或丁烷气体碰撞，当气体接近极板能够提高沉积速度以及产生更多的碳化物。金属极板配备加热装置，整个沉积过程控制极板温度在200-1000℃，在沉积完成后关闭通气口以及靶电流和偏压保持极板温度不变20-200min，之后降温在炉腔体降温的同时开通固定金属极板的支架内的水冷装置进行散热。此方法有利于碳化物的形成以及涂层表面残留金属原子转变为碳化物。作为优选的实施方式，步骤(1)中所述的金属极板的厚度为0.05-2mm，其材质包括不锈钢、铝、钛合金或镁合金，经过冲压成形在极板的表面形成微流道，经去离子蒸馏水清洗干净后，放入无水乙醇、丙酮、无水乙醇中进行超声振动处理。与现有技术相比，本专利技术在燃料电池金属极板表面沉积金属碳化物和非晶碳复合涂层，导电性和耐腐蚀性能都有显著提高。采用了多弧离子镀技术，采用了电弧放电的方法，离化率能达到90％，入射粒子能量较之于其他沉积技术有很大提高，较高能量的金属离子有利于金属碳化物的形成，同时涂层的致密性好，能够避免孔洞缺陷，膜层与基体界面原子扩散提高，加强了基体与涂层的结合力，并且改进通气口分布提高涂层质量，利用加热保温来得到较高的金属碳化物含量，同时采用多弧离子镀能够减少了涂层的沉积时间，降低时间成本。金属碳化物镶嵌在非晶碳涂层中，可以有效的提高极板耐腐蚀能力，碳化物同时具有较好的导电能力。通过调整工艺参数来调整镀层成分，大幅提高金属极板的耐腐蚀性能，降低接触电阻，从而提高燃料电池性能，采用本专利技术制备的金属极板能够满足燃料电池的使用要求，促进燃料电池行业的发展。附图说明图1为燃料电池复合纳米涂层的结构示意图；图2为进行涂层镀制的装置结构示意图；图3为不同氩气气体流量下制备碳化铬初始接触电阻。图1中，1-金属碳化物，2-非晶碳层，3-金属极板，图2中，21-金属靶材，22-氩气入口，23-磁过滤装置，24-反应气体入口，25-金属极板，26-加热装置，27-真空腔体，28-匹配器，29-射频电源。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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例1：制备多弧离子镀制备燃料电池极板的TiCx非晶碳复合涂层的影响(1)表面预处理：将不锈钢金属极板用碱溶液和酸溶液分别清洗后，再用去离子水清洗干净，然后再依次置于无水乙醇、丙酮、无水乙醇中进行超声振动处理，去除金属极板表面油污，得到干净的金属极板；(2)将清洗干净后的金属极板放入多弧离子镀炉腔内，抽真空至低于3×10-5torr，充入氩气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池复合纳米涂层，其特征在于，该复合纳米涂层为镶嵌有金属碳化物的非晶碳涂层。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池复合纳米涂层，其特征在于，该复合纳米涂层为镶嵌有金属碳化物的非晶碳涂层。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池复合纳米涂层，其特征在于，所述的金属碳化物为碳化物的纳米结构层，包括但不仅限于Cr2C3、TiC、Cr7C3、VC或NbC。3.根据权利要求1所述的一种燃料电池复合纳米涂层，其特征在于，该复合纳米涂层的厚度为50-100nm。4.一种燃料电池复合纳米涂层的镀制方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)燃料电池金属极板表面预处理：极板经冲压成形，再进行清洁，最后用超声波处理；(2)沉积复合纳米涂层：在通入氩气的同时通入乙炔、甲烷或丁烷气体，通过多弧离子镀技术利用金属靶材在一定真空度的真空腔内，在金属极板表面沉积复合纳米涂层。5.根据权利要求4所述的一种燃料电池复合纳米涂层的镀制方法，其特征在于，步骤(2)中所述的金属靶包括钛靶、铬靶、镍靶、铌靶、铬碳靶或钛碳靶。6.根据权利要求4所述的一种燃料电池复合纳米涂层的镀制方法，其特征在于，步骤(2)中所述的多弧离子镀技术控制真空度为10-4-10-1Pa，...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭林法，车聚，易培云，毕飞飞，来新民，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31