一种含涂层的金属双极板及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含涂层的金属双极板及其制备方法。本发明专利技术提供了一种含涂层的金属双极板，该金属双极板的涂层导电性、耐蚀性和结合强度较佳，该制备方法有利于提高金属双极板的生产效率。的生产效率。的生产效率。

【技术实现步骤摘要】
一种含涂层的金属双极板及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种含涂层的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 Fuel Cell，简称PEMFC)以氢气为燃料进行发电，并且产物为水无污染，对环境十分友好，其应用范围已经包括汽车，无人机、固定电站等。而在质子交换膜燃料电池电堆中双极板发挥着重要作用，其占据了电堆重量的75％以及电堆成本的40％，主要承担着气体分配、热量传导以及一定的支撑作用。而在众多的质子交换膜燃料电池双极板材料当中，包括金属、石墨以及复合材料等。金属双极板具有优异的导电导热性以及良好的机械性能已作为燃料电池极板材料的首选，但是未经表面改性的金属双极板易发生严重腐蚀造成大量离子析出污染催化剂，表面生成的氧化保护膜造成其导电性的急剧下降，因此仍需对金属双极板进行表面改性以提高其导电性和耐蚀性。
[0003]为了提高金属双极板的导电性和耐蚀性，研究人员已经开发出了多种类型涂层，包括贵金属涂层、金属碳化物涂层、金属氮化物涂层以及碳基涂层，同时为了提高这些导电耐蚀涂层和金属基材的结合性能并降低基材中的离子析出，通常需要在两者之间沉积一层或者多层金属过渡层。专利文献CN110284102A公开了一种金属碳化物晶体复合涂层及其制备方法，该工艺通过多层复合和元素改性能够极大地提高双极板在酸性工况下的耐腐蚀性，同时具备较高的导电性，但是制备工艺复杂，掺杂元素较多，成分难以控制，无法实现大规模运用。专利文献CN 112795886 A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，该专利技术通过离子注入和辅助扩散的方式提高了涂层和基材之间的结合性能，扩散处理层消除了涂层缺陷并提高了均匀性，所得到的预涂层具备良好的导电性能和耐蚀性能，同时在薄板冲压成形过程中有效地避免了涂层开裂和剥离现象。但是该工艺对于后期双极板的成型工艺和模具设计以及模具的表面处理等方面造成了巨大的挑战，无法有效解决成型过程中由于塑性变形导致的涂层质量问题。
[0004]目前大多数的涂层制备工艺都能在一定程度上保护金属双极板，使其在燃料电池工况下获得一定的使用寿命，但是这些涂层在电堆运行后，都存在界面电阻上升，基体元素流失等问题。能够有效保护双极板的涂层制备工艺又很繁琐，无法稳定化生产，预涂层的工艺会导致涂层在极板后续的成型中发生开裂和剥离，对成型模具提出了更高的要求。影响双极板使用性能的原因仍然的涂层的导电性，耐蚀性和结合强度。
[0005]因此，开发一种沉积在金属双极板上具有优异导电耐蚀性能、结合性能的涂层，用于金属双极板改性对提高金属双极板的生产效率，降低金属制造成本实现商业化具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是现有的金属双极板的涂层导电性、耐蚀性和结合强
度仍不甚理想，为此，本专利技术提供了一种含涂层的金属双极板及其制备方法，该金属双极板的涂层导电性、耐蚀性和结合强度较佳，该制备方法有利于提高金属双极板的生产效率。
[0007]本专利技术提供了一种含涂层的金属双极板，其特征在于，其为经热处理的金属双极板前体，所述的金属双极板前体由金属基体和涂层组成，所述的涂层附着于所述的金属基体，由内而外依次为涂层A、涂层B和涂层C；
[0008]所述的涂层A为Ti；
[0009]所述的涂层B由组分B
‑
1和组分B
‑
2组成；所述的组分B
‑
1为TiC；所述的组分B
‑
2为Cr；
[0010]所述的涂层C由组分C
‑
1和组分C
‑
2组成；所述的组分C
‑
1为导电碳材料；所述的组分C
‑
2为Cr。
[0011]在某一实施方案中，所述的热处理可在Ar、He、N2和H2中的一种或多种的气氛中进行，又可在98％N2和2％H2的气氛中进行。
[0012]在某一实施方案中，所述的热处理的温度可为200℃～700℃，又可为400℃。
[0013]在某一实施方案中，所述的热处理的气压可为0.01Pa～100Pa，又可为0.01Pa～10Pa，还可为0.02Pa。
[0014]在某一实施方案中，所述的热处理的时间可为1min～100min，又可为5min～50min，还可为5min～10min。
[0015]在某一实施方案中，所述的热处理在98％N2和2％H2的气氛中进行，所述的热处理的温度400℃，所述的热处理的时间10min。
[0016]在某一实施方案中，所述的金属基体可为经过清洗的基体。
[0017]在某一实施方案中，所述的清洗可用于除去所述的金属基体表面的杂质和氧化膜。
[0018]在某一实施方案中，所述的清洗可在真空环境中进行。
[0019]在某一实施方案中，所述的清洗可为离子源清洗、射频清洗或自偏压清洗。
[0020]在某一实施方案中，所述的离子源清洗可为等离子体清洗。
[0021]在某一实施方案中，在所述的清洗之前，还可进行预清洗。所述的预清洗可为使用去离子水和乙醇超声清洗。
[0022]在某一实施方案中，所述的清洗的温度可为50℃～500℃，又可为100℃～300℃，还可为100℃～200℃。
[0023]在某一实施方案中，所述的清洗的时间可为10min～60min，又可为10min～30min，还可为30min。
[0024]在某一实施方案中，所述的涂层A的厚度可为50nm。
[0025]在某一实施方案中，所述的涂层A的作用可为改善腐蚀性能和成形性能。
[0026]在某一实施方案中，所述的涂层A可通过气相沉积获得。
[0027]在某一实施方案中，所述的涂层A中，所述的气相沉积可为物理气相沉积或化学气相沉积。
[0028]在某一实施方案中，所述的涂层A中，所述的物理气相沉积可为磁控溅射沉积或多弧离子镀。
[0029]在某一实施方案中，所述的涂层A中，所述的磁控溅射沉积可为真空磁控溅射沉
积。
[0030]在某一实施方案中，所述的涂层A中，所述的气相沉积的沉积电流可为0.5A～15A，又可为6A。
[0031]在某一实施方案中，所述的涂层A中，所述的气相沉积的沉积偏压可为
‑
15V～
‑
1000V，又可为
‑
90V。
[0032]在某一实施方案中，所述的涂层A中，所述的气相沉积的沉积温度可为50℃～600℃，又可为100℃～500℃，还可为300℃～500℃。
[0033]在某一实施方案中，所述的涂层A中，所述的气相沉积的沉积气压可为0.01Pa～10Pa，又可为0.01Pa～1Pa，还可为0.08Pa、0.1Pa或0.5Pa。
[0034]在某一实施方案中，所述的涂层A中，所述的气相沉积的沉积时间可为1min～300m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含涂层的金属双极板，其特征在于，其为经热处理的金属双极板前体，所述的金属双极板前体由金属基体和涂层组成，所述的涂层附着于所述的金属基体，由内而外依次为涂层A、涂层B和涂层C；所述的涂层A为Ti；所述的涂层B由组分B
‑
1和组分B
‑
2组成；所述的组分B
‑
1为TiC；所述的组分B
‑
2为Cr；所述的涂层C由组分C
‑
1和组分C
‑
2组成；所述的组分C
‑
1为导电碳材料；所述的组分C
‑
2为Cr。2.如权利要求1所述的含涂层的金属双极板，其特征在于，其满足下列条件中的一个或多个：a)所述的热处理在Ar、He、N2和H2中的一种或多种的气氛中进行；b)所述的热处理的温度为200℃～700℃；c)所述的热处理的气压为0.01Pa～100Pa；d)所述的热处理的时间为1min～100min；e)所述的金属基体为经过清洗的基体；f)所述的涂层A的厚度为50nm；g)所述的涂层A的作用为改善腐蚀性能和成形性能；h)所述的涂层A通过气相沉积获得；i)所述的涂层B中，所述的组分B
‑
1与所述的组分B
‑
2呈混合状；j)所述的涂层B中，所述的组分B
‑
1与所述的组分B
‑
2的比例为5：1；k)所述的涂层B的厚度为100nm；l)所述的涂层B的作用为耐蚀过渡；m)所述的涂层B的作用为提升涂层A和涂层C之间的结合力；n)所述的涂层B通过气相沉积获得；o)所述的涂层C中，所述的组分C
‑
1为非晶态碳层；p)所述的涂层C中，所述的组分C
‑
2掺杂于所述的组分C
‑
1中；q)所述的涂层C中，所述的组分C
‑
1与所述的组分C
‑
2的比例为10：1；r)所述的涂层C的厚度为100nm；s)所述的涂层C的作用为导电；t)所述的涂层C通过气相沉积获得。3.如权利要求2所述的含涂层的金属双极板，其特征在于，其满足下列条件中的一个或多个：u)所述的热处理在98％N2和2％H2的气氛中进行；v)所述的热处理的温度为400℃；w)所述的热处理的气压为0.01Pa～10Pa；x)所述的热处理的时间为5min～50min；y)所述的清洗用于除去所述的金属基体表面的杂质和氧化膜；z)所述的清洗在真空环境中进行；aa)所述的清洗为离子源清洗、射频清洗或自偏压清洗；bb)所述的清洗的温度为50℃～500℃；
cc)所述的清洗的时间为10min～60min；dd)所述的涂层A中，所述的气相沉积为物理气相沉积或化学气相沉积；ee)所述的涂层A中，所述的气相沉积的沉积电流为0.5A～15A；ff)所述的涂层A中，所述的气相沉积的沉积偏压为
‑
15V～
‑
1000V；gg)所述的涂层A中，所述的气相沉积的沉积温度为50℃～600℃；hh)所述的涂层A中，所述的气相沉积的沉积气压为0.01Pa～10Pa；ii)所述的涂层A中，所述的气相沉积的沉积时间为1min～300min；jj)所述的涂层B中，所述的涂层B由TiC和Cr组成，呈混合状，TiC和Cr的比例为5：1；kk)所述的涂层B中，所述的气相沉积为物理气相沉积或化学气相沉积；ll)所述的涂层B中，所述的气相沉积的沉积电流为0.5A～15A；mm)所述的涂层B中，所述的气相沉积的沉积偏压为
‑
15V～
‑
1000V；nn)所述的涂层B中，所述的气相沉积的沉积温度为50℃～600℃；oo)所述的涂层B中，所述的气相沉积的沉积气压为0.01Pa～10Pa；pp)所述的涂层B中，所述的气相沉积的沉积时间为1min～300min；qq)所述的涂层C中，所述的组分C
‑
1为类石墨碳、类金刚石碳和氢化碳中的一种或多种；rr)所述的涂层C中，所述的气相沉积为物理气相沉积或化学气相沉积；ss)所述的涂层C中，所述的气相沉积的沉积电流为0.5A～15A；tt)所述的涂层C中，所述的气相沉积的沉积偏压为
‑
15V～
‑
1000V；uu)所述的涂层C中，所述的气相沉积的沉积偏压采用高低交替变换方式；vv)所述的涂层C中，所述的气相沉积的沉积温度为50℃～600℃；ww)所述的涂层C中，所述的气相沉积的沉积气压为0.01Pa～10Pa；xx)所述的涂层C中，所述的气相沉积的沉积时间为1min～300min。4.如权利要求3所述的含涂层的金属双极板，其特征在于，其满足下列条件中的一个或多个：yy)所述的热处理在98％N2和2％H2的气氛中进行，所述的热处理的温度400℃，所述的热处理的时间10min；zz)所述的离子源清洗为等离子体清洗；aaa)在所述的清洗之前，还进行预清洗；所述的预清洗为使用去离子水和乙醇超声清洗；bbb)所述的涂层A为Ti，所述的涂层A的厚度为50nm，所述的涂层A通过真空磁控溅射沉积获得，所述的真空磁控溅射的温度为300℃，所述的磁控溅射的气压为0.08Pa，沉积电流6A，偏压
‑
90V；ccc)所述的涂层B由TiC和Cr组成，呈混合状，TiC和Cr的比例为5：1，所述的涂层B的厚度为100nm，所述的涂层B通过反应溅射沉积获得，所述的反应溅射的温度为300℃，所述的反应溅射的气压为0.5Pa，Ti靶电流从6A线性降为0A，C靶电流从0A线性增加至7A，Cr靶电流1A，偏压
‑
90V；ddd)所述的涂层C中，所述的高低交替变换方式里，低偏压为
‑
15V～
‑
200V；eee)所述的涂层C中，所述的高低交替变换方式里，高偏压为
‑
200V～
‑
1000V；
fff)所述的涂层C中，所述的高低交替变换方式里，变换频率为5次～50次；ggg)所述的涂层C由类石墨碳和Cr组成，所述的Cr掺杂于所述的类石墨碳中，类石墨碳和Cr的比例为10：1，所述的涂层C的厚度为100nm，所述的涂层C通过真空磁控溅射沉积获得，所述的磁控溅射的温度为500℃，所述的磁控溅射的气压为0.1Pa。5.一种含涂层的金属双极板的制备方法，其特征在于，其包括下述步骤：(1)通过气相沉积，将Ti沉积在金属基体表面，形成涂层A；(2)通过气相沉积，将组分B
‑
1和组分B
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2沉积在所述的涂层A表面，形成涂层B；所述的组分B
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1为TiC；所述的组分B
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2为Cr；(3)通过气相沉积，将组分C
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1和组分C
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2沉积在所述的涂层B表面，形成涂层C；所述的组分C
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1为导电碳材料；所述的组分C
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2为Cr；(4)热处理，即得含涂层的金属双极板。6.如权利要求5所述的含涂层的金属双极板的制备方法，其特征在于，其满足下列条件中的一个或多个：hhh)所述的含涂层的金属双极板为如权利要求1～4中任一项所述的含涂层的金属双极板；iii)所述的步骤(4)中，所述的热处理在Ar、He、N2和H2中的一种或多种的气氛中进行；jjj)所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周锦程，杨敏，陈福平，万玲玉，
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：