一种燃料电池金属双极板用非晶碳涂层及制备方法技术

本发明专利技术涉及染料电池极板涂层技术领域，具体涉及一种燃料电池金属双极板用非晶碳涂层及制备方法。所述涂层包括过渡层和非晶碳复合层；过渡层包括金属层和Me/C梯度层，Me为金属层元素，C为碳；非晶碳复合层包括非晶碳耐腐蚀层和非晶碳导电层；非晶碳耐腐蚀层有n个单元，每个单元由高偏置电压层和低偏置电压层组成。所述涂层的制备方法为采用物理气相沉积的方法在金属双极板表面依次制备金属层、Me/C梯度层、非晶碳耐腐蚀层、非晶碳导电层。本发明专利技术采用闭合场非平衡磁控溅射技术制备非晶碳耐腐蚀层提高涂层耐腐蚀性，在非晶碳耐腐蚀层表面制备非晶碳导电层提高涂层的界面导电性，实现燃料电池金属双极板耐腐蚀性和高导电性的同步提升。提升。提升。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池金属双极板用非晶碳涂层及制备方法


[0001]本专利技术涉及染料电池极板涂层
，具体涉及一种燃料电池金属双极板用非晶碳涂层及制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)以氢气为能源，具有无污染、高效率、高能量密度等优点。其中双极板作为燃料电池的重要组成部分具有导电、传输反应气体、提供机械支撑等作用。因此双极板直接影响着燃料电池堆的寿命。其中金属双极板相较于传统的石墨双极板在制造加工、机械强度及成本方等方面的优势使其备受关注。燃料电池工作的环境为80℃左右、pH＝3左右的酸性溶液，由于常作为金属双极板的材料如不锈钢、钛等容易在酸性条件下钝化，导致金属双极板与气体扩散层的接触电阻升高，影响燃料电池输出功率。且钝化膜溶解出的金属离子会使催化剂中毒，影响燃料电池寿命。因此，仅靠金属基材制备双极板无法满足燃料电池的耐腐蚀、低接触电阻的要求。目前通常以在金属双极板表面镀膜的形式使其耐腐蚀能力和接触电阻达到要求。非晶碳兼具耐腐蚀和导电性，是一种可行的金属双极板涂层材料。

技术实现思路

[0003]基于上述内容，本专利技术提供一种燃料电池金属双极板用非晶碳涂层及制备方法。采用闭合场非平衡磁控溅射技术制备多个重复单元的非晶碳耐腐蚀层来提高涂层耐腐蚀性，并在非晶碳耐腐蚀层表面制备非晶碳导电层提高涂层的界面导电性，实现燃料电池金属双极板耐腐蚀性和高导电性的同步提升。
[0004]本专利技术的技术方案之一，一种燃料电池金属双极板用非晶碳涂层，包括位于金属双极板上的过渡层和位于所述过渡层上的非晶碳复合层。
[0005]所述过渡层包括金属层和设置在所述金属层上的Me/C梯度层，其中，Me为金属层金属元素，C为碳。
[0006]所述非晶碳复合层包括非晶碳耐腐蚀层和设置在所述非晶碳耐腐蚀层上的非晶碳导电层。
[0007]所述非晶碳耐腐蚀层有n个单元，每个单元由高偏置电压层和低偏置电压层组成，所述n选自1
‑
20的整数。
[0008]过渡层设置的目的，一方面，可以提高非晶碳涂层和金属双极板涂层之间的粘合性能，克服由于金属双极板和非晶碳涂层之间的元素差距导致的直接在金属双极板表面制备非晶碳涂层结合力不牢，容易出现分层、脱落、导电和电阻性能不佳的技术问题；另一方面，由于非晶碳涂层实际上为密集排列的柱状结构组成，分子之间存在孔隙结构，在液体环境中使用时，电解液容易通过孔隙结构渗透从而击穿涂层，影响涂层性能，而过渡层的设置则可以很好的避免电解液孔隙渗透击穿涂层的技术问题；
[0009]非晶碳复合层包括非晶碳耐腐蚀层和非晶碳导电层的目的：燃料电池金属双极板
的涂层要求一般为接触电阻和腐蚀电流密度均越小越好，而如果只设置非晶碳耐腐蚀层则有可能导致涂层材料的耐腐蚀性能提升的同时导电性能下降，如果只设置非晶碳导电层则存在导电性能提升的同时耐腐蚀效果下降，因此，单层非晶碳涂层的设置并不能满足涂层导电性和耐腐蚀性能的双提升效果，本专利技术非晶碳层复合层设置非晶碳耐腐蚀层和非晶碳导电层，则可以充分利用各层优势实现低接触电阻和高耐腐蚀性能的统一。
[0010]非晶碳耐腐蚀层设置n个由高偏置电压层和低偏置电压层组成的单元的目的：不同偏置电压制备的非晶碳涂层的接触电阻和腐蚀电流密度不同，高偏置电压制备的非晶碳层耐腐蚀性能不佳，导电性较好，而低偏置电压制备的非晶碳层耐腐蚀性能很好，导电性则欠缺，因此，设置n个由高偏置电压层和低偏置电压层组成的单元，二者相互互补可以起到加强涂层的耐腐蚀性能的技术目的。优选的，高偏置电压层和低偏置电压层厚度比为1：(1
‑
3)。
[0011]进一步地，所述金属层厚度10
‑
100nm，所述Me/C梯度层厚度10
‑
100nm，所述非晶碳复合层厚度0.5
‑
2μm。
[0012]进一步地，所述燃料电池金属双极板为不锈钢和/或钛。
[0013]进一步地，所述金属层中金属元素选自Ti、Cr、Nb和W中的一种或多种。
[0014]进一步地，所述非晶碳耐腐蚀层为掺杂或未掺杂耐腐蚀性元素的类石墨碳涂层，所述耐腐蚀性元素为H、N、W中的一种或多种，掺杂时，所述耐腐蚀性元素的摩尔掺杂量为1
‑
20％；
[0015]进一步地，所述非晶碳导电层为掺杂导电性元素的类石墨碳涂层，所述导电性元素为Au、Ag、Cu、Al中的一种或多种，所述导电性元素的摩尔掺杂量为1
‑
20％。
[0016]耐腐蚀性元素和导电性元素的掺杂起到辅助提高非晶碳层耐腐蚀性能和导电性能的作用，掺杂量过大会影响涂层材料中非晶碳涂层的含量，从而影响非晶碳层的性能。
[0017]本专利技术的技术方案之二，上述燃料电池金属双极板用非晶碳涂层的制备方法，采用物理气相沉积的方法连续的在金属双极板表面依次制备金属层、Me/C梯度层、非晶碳耐腐蚀层、非晶碳导电层，所述燃料电池金属双极板用非晶碳涂层一次性沉积完成。
[0018]进一步地，所述金属双极板在进行物理气相沉积前进行超声清洗，然后等离子体清洗；
[0019]进一步地，所述等离子体清洗包括以下步骤：抽真空度2
×
10
‑5torr以下，通氩气，以Me为溅射源控制靶电流为0.1～2A，在
‑
50～
‑
500V偏置电压下对金属双极板进行等离子体清洗30min。
[0020]进一步地，所述金属层的物理气相沉积条件：抽真空度2
×
10
‑5torr以下，通氩气，以Me材料为金属靶材，调节金属靶材电流为0.5～5A，金属双极板偏置电压为
‑
50～
‑
300V，持续磁控溅射1～60min得到金属层。
[0021]进一步地，所述Me/C梯度层的物理气相沉积条件：以石墨和Me材料为工作靶材，石墨靶电流物理气相沉积时间)内从0A升至0.5A～5A，Me材料靶电流物理气相沉积时间内由金属层沉积电流降低至0A，金属双极板偏置电压为
‑
50～
‑
300V，持续磁控溅射1～90min得到Me/C梯度层。
[0022]进一步地，进行氮掺杂时，所述非晶碳耐腐蚀层的物理气相沉积条件：通氮气，氮气流量为1～30sccm，控制石墨靶电流和制备Me/C梯度层时石墨靶电流一致，金属双极板偏
置电压
‑
50～
‑
200V，持续1～90min沉积低偏置电压层；提高偏置电压到
‑
150～
‑
400V，持续1～90min沉积高偏置电压层；以低偏置电压层和高偏置电压层为一个单元，重复制备n个单元获得非晶碳耐腐蚀层，其中低偏置电压层制备时的偏置电压低于高偏置电压层制备时的偏置电压。
[0023]进一步地，进行氢掺杂时，所述非晶碳耐腐蚀层的物理气相沉积条件：通入异丁烷，气体流量为1～30s本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池金属双极板用非晶碳涂层，其特征在于，包括位于金属双极板上的过渡层和位于所述过渡层上的非晶碳复合层；所述过渡层包括金属层和设置在所述金属层上的Me/C梯度层，其中，Me为金属层金属元素，C为碳；所述非晶碳复合层包括非晶碳耐腐蚀层和设置在所述非晶碳耐腐蚀层上的非晶碳导电层；所述非晶碳耐腐蚀层有n个单元，每个单元由高偏置电压层和低偏置电压层组成，所述n选自1
‑
20的整数。2.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板用非晶碳涂层，其特征在于，所述金属层厚度10
‑
100nm，所述Me/C梯度层厚度10
‑
100nm，所述非晶碳复合层厚度0.5
‑
2μm。3.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板用非晶碳涂层，其特征在于，所述金属层中金属元素选自Ti、Cr、Nb和W中的一种或多种；所述非晶碳耐腐蚀层为掺杂或未掺杂耐腐蚀性元素的类石墨碳涂层，掺杂时，所述耐腐蚀性元素为H、N、W中的一种或多种，所述耐腐蚀性元素的摩尔掺杂量为1
‑
20％；所述非晶碳导电层为掺杂导电性元素的类石墨碳涂层，所述导电性元素为Au、Ag、Cu、Al中的一种或多种，所述导电性元素的摩尔掺杂量为1
‑
20％。4.一种根据权利要求1
‑
3任一项所述的燃料电池金属双极板用非晶碳涂层的制备方法，其特征在于，采用物理气相沉积的方法连续的在金属双极板表面依次制备金属层、Me/C梯度层、非晶碳耐腐蚀层、非晶碳导电层。5.根据权利要求4所述的燃料电池金属双极板用非晶碳涂层的制备方法，其特征在于，所述金属双极板在进行物理气相沉积前进行超声清洗，然后等离子体清洗；所述等离子体清洗包括以下步骤：抽真空度2
×
10
‑5torr以下，通氩气，以Me为溅射源控制靶电流为0.1～2A，在
‑
50～
‑
500V偏置电压下对金属双极板进行等离子体清洗30min。6.根据权利要求4所述的燃料电池金属双极板用非晶碳涂层的制备方法，其特征在于，所述金属层的物理气相沉积条件：抽真空度2
×
10
‑5torr以下，通氩气，以Me材料为金属靶材，调节金属靶材电流为0.5～5A，金属双极板偏置电压为
‑
50～
‑
300V，持续磁控溅射1～60min得到金属层。7.根据权利要求6所述的燃料电池金属双极板用非晶碳涂层的制备方法，其特征在于，所述Me/C梯度层的物理气相沉积条件：以石墨和Me材料为工作靶材，石墨靶电流物理气相沉积时间内从0A升至0.5A～5A，Me材料靶电流物理气相沉积时间内由金属层沉积电流降低至0A，金属双极板偏置电压为
‑
50～
‑
300V，持续磁控溅射1～90min得到Me/C梯度层。8.根据权利要求7所述的燃料电池金属双极板用非晶碳涂层的制备方法，其特征在于，进行氮掺杂时，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓明，洪吉超，赤骋，陈东方，胡松，王越，李跃华，胡桐，李仁政，赵磊，唐伟，孙旭东，袁秋奇，
申请(专利权)人：北京格睿能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：