[发明专利]一种高耐腐蚀高电导率的燃料电池金属双极板保护膜及制备方法

说明书

本发明公开了一种高耐腐蚀高电导率的燃料电池金属双极板保护膜及制备方法，所述电池金属双极板包括金属双极板基体和沉积在金属双极板基体表面的复合保护膜层，所述的复合保护膜层从下至上包括依次沉积的Cr层、CrNx层和C层。具有通过步骤如下制作复合保护膜层：(1)开启Cr靶，使用Cr靶在双极板基体的表面沉积Cr层；(2)在保持总气压的情况下通入N₂，沉积CrNx层；(3)关闭Cr靶并停止通入N₂气体，保持总气压，更换石墨靶，沉积石墨C层。所制作的保护膜提高了电池双极板的耐腐蚀性能，延长了其使用寿命，而且减小了金属双极板与扩散层之间的接触电阻，有效提高了燃料电池性能。

技术领域

本发明属于电池双极板制造领域，具体涉及一种高耐腐蚀高电导率的燃料电池金属双极板保护膜及制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可以将氢气和氧气中的化学能,通过电化学反应直接转化为电能的发电装置,由于其工作温度在常温区间，氢气来源广泛，效率高于传统内燃机，且环境又友好，产物只有水，被认为是21世纪最高效清洁发电技术。双极板是PEMFC的最关键部件之一,它占据了电池60％～70％的成本，占燃料电池总重量的70％-80％，同时也是制约电池使用寿命的关键因素。目前，PEMFC的双极板材料主要有三种：石墨材料、复合材料和金属材料。目前，燃料电池双极板所用的材料主要是石墨，其热导性和电导性良好，化学性质稳定，耐腐蚀性能好，但由于石墨材料脆性大，机械性能差，不易于大批量生产。金属材料双极板具有高强度和良好的导电、导热性能，并且原材料便宜，适合大批量加工生产，可有效减小燃料电池的体积和成本，是目前公认的燃料电池产业化首选。然而燃料电池工作环境，双极板要能够耐受pH＝2～3的磺酸、约0.1ppm浓度的氢氟酸以及约80℃的环境条件，金属双极板在燃料电池的强酸、高温工作环境中极易发生腐蚀，污染催化剂，严重降低燃料电池的使用寿命，而且金属双极板在酸性环境中会在表面形成钝化膜，进而增大了双极板和气体扩散层的接触电阻。因此，提高金属双极板的抗腐蚀性能、降低双极板接触电阻是金属双极板发展的主要方向。目前，通过对不锈钢表面进行改性，在不锈钢表面形成导电性好的耐腐蚀薄膜，以解决这一新的技术问题。

用来进行表面沉积薄膜处理的工艺方法很多，有热喷、丝网印刷、溶胶凝胶、电镀、化学镀、溅射镀以及化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)等。不过总体上还是存在一些问题,主要有两个方面:一是薄膜存在微孔、疏松等缺陷以及薄膜附着力差、易脱落；二是薄膜材料以贵金属或稀有金属居多,使生产成本居高不下，如采用Au，Ag，Pt等金属。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种高耐腐蚀高电导率的燃料电池金属双极板保护膜及制备方法。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种高耐腐蚀高电导率的燃料电池金属双极板保护膜，包括金属双极板基体和沉积在金属双极板基体表面的复合保护膜层，所述的保护膜层从下至上包括依次沉积的Cr层、CrNx层和C层。其中，所述的CrNx层为非均质连续变化膜层，所述的x数值从下至上在1-2的范围内连续增加。

作为本发明的进一步改进，所述的保护膜层采用磁控溅射的方法沉积在金属双极板基体的表面。

作为本发明的进一步改进，所述Cr层厚度为0.2-0.5μm，所述CrNx层厚度为0.25-0.6μm，所述C层厚度为0.1-0.3μm。

作为本发明的进一步改进，所述C层为石墨C层。

制备如上所述的一种高耐腐蚀高电导率的燃料电池金属双极板保护膜的方法，包括将清洗洁净的金属双极板基体放入磁控溅射设备的真空腔室中，依次经抽真空、加热、通入氩气、离子源清洗处理后，通过控制溅射条件依次沉积Cr层、CrNx层和C层，具有步骤如下：

(1)开启Cr靶，使用Cr靶在双极板基体的表面沉积Cr层；