[发明专利]一种燃料电池双极板碳涂层多腔体沉积系统及其应用

说明书

本发明提供一种燃料电池双极板碳涂层的多腔体沉积系统，包括：进片室、离子清洗室、PVD工艺室组、过渡室、PECVD工艺室组、冷却室以及出片室，各腔室按顺序通过门阀串联在一起；各腔室内底部设有传送装置，串联贯穿于整个沉积系统；样品架设在传送装置上；各腔体顶部设有导向装置；传送装置的上端设有偏压滚轮和外部偏压电源相连；除进片室外，其余各腔室内有真空系统和气路系统，底部开有抽气口。本发明将PECVD法和PVD法相结合实现碳涂层的连续制备，采用金属网状结构形成空心阴极放电，增强等离子体密度和均匀性，提高碳涂层的致密性及其沉积效率，提高了燃料电池双极板非晶碳涂层的商业化应用前景。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种用于燃料电池双极板碳涂层的多腔体沉积系统及其应用。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。在诸多种类的燃料电池当中，以氢气为主要燃料的质子交换膜燃料电池（ProtonExchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）目前已经得到了广泛的应用，并吸引了众多研究人员的关注。双极板作为质子交换膜燃料电池的核心部件之一，承担着燃料电池当中电流、热量的分配工作，并对膜电极具有一定的支撑作用，其中在燃料电池运行过程当中，双极板位于pH=3的酸性环境当中，而且燃料电池电位可达0.6～1.6V，工作温度在65～85℃，这对于传统的金属双极板来说，严重的电化学腐蚀会造成电池寿命的严重衰减，因此对于传统的金属双极板进行改性以提高金属极板的抗腐蚀性能、降低极板和气体扩散层之间的接触电阻是目前的研究热点。

碳涂层因其优异的导电性和耐蚀性而被广泛用于双极板涂层当中，可以通过物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，以下简称PVD），化学气相沉积（Chemical VaporDeposition，简称CVD）、离子镀（Ion plating，简称IP）等方法制备。其中等离子体增强化学气相沉积法（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，以下简称PECVD）兼具传统化学气相沉积和物理气相沉积的优点，溅射温度低，沉积速率快，薄膜成分和厚度可控，逐渐成为碳涂层制备的主要方法之一。虽然等离子体增强化学气相沉积法有这些优点，但仍存在着结构不够致密等不足，因此需要进一步提高等离子体密度和能量提高制备涂层的致密性。

碳涂层如果直接在金属基片上生长会存在涂层疏松多孔，与基片结合性能差等缺点，因此必须在碳涂层和金属基片之间添加过渡层，过渡层成分包括金属或金属碳化物，主要通过物理气相沉积方法制备。对于传统的单腔体设备来说，因为不同的沉积方法在沉积气压、沉积温度等方面存在巨大差异，导致无法在该设备上同时实现物理气相沉积和等离子体增强化学气相沉积两种方法的连续沉积，而多腔体沉积设备能很好地克服这些不足以综合不同的沉积方法来完成涂层的制备。专利公开号CN206502860U公开了一种PECVD与PVD混合连续式镀膜装置，主要用于卷对卷柔性薄膜的镀制，并不适用于燃料电池双极板碳涂层的制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于燃料电池双极板碳涂层的多腔体沉积系统及其应用，以克服现有技术存在的缺陷。

一种燃料电池双极板碳涂层的多腔体沉积系统，其特征在于，主要包括：进片室、离子清洗室、PVD工艺室组、过渡室、PECVD工艺室组、冷却室以及出片室，各腔室按顺序通过门阀串联在一起；各腔室内底部设有传送装置，串联贯穿于整个沉积系统；样品架设在所述的传送装置上；各腔体顶部设有导向装置，控制着所述样品架沿着所述传送装置的轨道依次传送于各个腔室，使其完成样品的清洗、加热、涂层沉积以及冷却等操作；所述的传送装置的上端设有偏压滚轮和外部偏压电源相连，将偏压接入所述样品架上；所述的离子清洗室、PVD工艺腔体组、过渡室、PECVD工艺腔体组和冷却室内还分别配备有独立的真空系统以及气路系统，且各自底部开有抽气口；

所述的离子清洗室壁面两侧装有清洗装置，清洗方式包括双极脉冲清洗、射频自偏压清洗、脉冲偏压清洗、以及在腔体两侧对称布置的离子源清洗；