[发明专利]一种钛基燃料电池双极板涂层的制备方法

说明书

一种钛基燃料电池双极板涂层的制备方法，通过磁控溅射的方式，在钛金属双极板的表面先后沉积了钛过渡层、a‑C:H:Ti中间层和类石墨镀层，形成多层叠加结构的膜层，可以阻碍或减缓腐蚀向钛金属双极板的延伸，保护基体免受腐蚀，提高钛基燃料电池双极板的耐久性。a‑C:H:Ti中间层提升了钛过渡层和类石墨镀层之间的粘附性，最终形成的Ti/a‑C:H:Ti/C薄膜涂层的接触电阻可达到2‑10 mΩ·cm²，腐蚀电流密度可达到0.2‑1.0μA/cm²，具有优良的导电性、耐蚀性，工艺方法简单可靠，可满足大批量生产的需求。

技术领域

本发明涉及钛基燃料电池双极板领域，尤其涉及一种钛基燃料电池双极板涂层的制备方法。

背景技术

双极板作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的重要组成部分，双极板质量的好坏直接决定燃料电池堆输出功率得大小和使用寿命的长短，理想的双极板需要具备良好的导电导热性能、阻气性能、耐蚀性能以及高强度等特点。

双极板材料主要分为3类，分别为石墨双极板、复合材料双极板和金属双极板。其中，石墨双极板重量轻、耐蚀性好、导电导热性能优异，但脆性大，流场加工成本高；复合材料双极板成形性能优异、机械强度高，但导电性较差，且加工成本较高；相比之下金属双极板厚度薄、导电导热性能优异、机械强度高且气体隔绝性好，有利于电池比功率密度的提升，此外金属材料加工工艺成熟，可利用冲压、压铸和激光成形等方式加工高精度的复杂流场，容易实现极板的量化生产，已成为氢燃料电池的主流双极板材料。

钛金属具有耐腐蚀和导电性好的优点，不仅可以减小质子交换膜燃料电池（PEMFC）的体积和质量，还具有良好的加工性能，可以有效降低燃料电池的成本。钛虽具有良好的耐腐蚀性能，但钛极板在PEMFC环境下长时间工作会导致极板表面生成较厚的氧化膜、其接触电阻逐渐增大，直接影响着电池的输出功率和使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛基燃料电池双极板涂层的制备方法，保护基体免受腐蚀，提高钛基燃料电池双极板的耐久性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种钛基燃料电池双极板涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、对钛金属双极板进行超声波清洗并用酒精擦拭表面，然后将钛金属双极板放入磁控溅射镀膜设备的内腔，将设备内腔抽真空至1×10^-6Torr，再向设备内腔通入氩气，并控制设备内腔的真空度在1×10^-6~10Torr，开启钛靶，控制钛靶电流为0.1~20 A，偏压为-1000~0 V，时间30 ~40 min，对钛金属双极板的表面进行清洗；

步骤二、控制钛靶电流为0.1~20 A，偏压为-500~0 V，时间1~2h，在钛金属双极板的表面沉积钛过渡层；

步骤三、保持步骤二的钛靶电流和偏压不变，向设备内腔通入C₇H₈气体，开启石墨靶，调节石墨靶电流由0 A逐渐增加至 20 A，在钛过渡层的表面沉积a-C:H:Ti中间层；

步骤四、关闭钛靶，控制石墨靶电流为0.5~20 A，偏压为-200~0 V，时间2~4h，在a-C:H:Ti中间层的表面沉积类石墨镀层，即完成涂层的制备。

优选的，步骤一中，通过机械泵与分子泵对设备内腔进行抽真空。

根据上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过磁控溅射的方式，在钛金属双极板的表面先后沉积了钛过渡层、a-C:H:Ti中间层和类石墨镀层，形成多层叠加结构的膜层，可以阻碍或减缓腐蚀向钛金属双极板的延伸，保护基体免受腐蚀，提高钛基燃料电池双极板的耐久性。a-C:H:Ti中间层提升了钛过渡层和类石墨镀层之间的粘附性，最终形成的Ti/a-C:H:Ti/C薄膜涂层的接触电阻可达到2-10 mΩ·cm²，腐蚀电流密度可达到0.2-1.0μA/cm²，具有优良的导电性、耐蚀性，工艺方法简单可靠，可满足大批量生产的需求。