[發(fā)明專利]一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長(zhǎng)壽命雙極板及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710032999.1
• 申請(qǐng)日: 2017-01-20
• 公開（公告）號(hào): CN106784916B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 林國(guó)強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M8/0228
• 分類號(hào): H01M8/0228
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉;侯明遠(yuǎn)

1.一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長(zhǎng)壽命雙極板，其特征在于，該燃料電池長(zhǎng)壽命雙極板及其表面鈦鉬鎳碳薄膜包括金屬薄板雙極板基材(1)、中間耐點(diǎn)蝕過(guò)渡層(2)和表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)；其中金屬薄板雙極板基材(1)的厚度為0.1mm～0.5mm；中間耐點(diǎn)蝕過(guò)渡層(2)的材質(zhì)為鈦鉬鎳納米晶合金層，其中鉬的質(zhì)量百分含量為0.2％～34.5％、鎳的質(zhì)量百分含量為0.0％～1.2％，其余含量為鈦，鈦鉬鎳納米晶合金層的厚度為0.3μm～3.0μm；表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)的材質(zhì)為碳非晶鈦鉬鎳納米晶復(fù)合薄膜，其中碳非晶的原子百分含量為60％～100％，其余為鈦鉬鎳納米晶，在鈦鉬鎳納米晶中鈦和鉬、鎳三者的相對(duì)成分含量與中間耐點(diǎn)蝕過(guò)渡層(2)的相同，表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)的厚度為0.1μm～1μm；

所述帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長(zhǎng)壽命雙極板的制備方法是采用有熱絲增強(qiáng)放電并輔以氣體離子源增強(qiáng)濺射刻蝕的電弧離子鍍方法在金屬薄板雙極板基材(1)表面依次沉積中間耐點(diǎn)蝕過(guò)渡層(2)及表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)，具體步驟如下：

(1)將電弧離子鍍?cè)O(shè)備真空室一側(cè)安裝在真空環(huán)境中能發(fā)射大量熱電子的熱絲裝置，另一側(cè)再安裝使惰性氣體能獲得電激發(fā)離化的氣體離子源裝置，在真空室內(nèi)壁均布有管狀加熱器裝置；在均勻分布的多個(gè)陰極靶位上分別相間隔安裝碳靶和鈦鉬鎳合金靶，其中鉬的質(zhì)量百分含量為0.2％～34.5％，鎳的質(zhì)量百分含量為0.0％～1.2％，其余為鈦；

(2)將金屬薄板雙極板基材(1)經(jīng)超聲清洗并烘干處理后，安放于電弧離子鍍真空室的工件卡具上，關(guān)閉艙門后由真空系統(tǒng)將真空室真空抽到5×10^-3Pa以上，啟動(dòng)加熱裝置使金屬薄板雙極板基材(1)加熱到200℃～350℃，之后充入氬氣，氬氣分壓為0.4Pa～1.0Pa，加偏壓為500V～1000V，引發(fā)輝光等離子體，再啟動(dòng)熱絲裝置進(jìn)行等離子體放電增強(qiáng)，通入熱絲的電流為3A～30A，熱絲兩端的電壓為10V～50V，熱絲偏壓電源的偏壓為10V～50V，進(jìn)行金屬薄板雙極板基材(1)表面等離子體增強(qiáng)的濺射清洗，時(shí)間為5min～30min；到時(shí)后停止熱絲裝置工作，降低氬氣分壓為0.1Pa～0.4Pa，啟動(dòng)氣體離子源裝置，調(diào)整離子束電流為1A～3A，進(jìn)行金屬薄板雙極板基材(1)表面離子濺射刻蝕和活化處理，時(shí)間為5min～20min；

(3)到時(shí)后停止離子源裝置工作，調(diào)整氬氣分壓為0.5Pa～2Pa，降低偏壓為50V～200V，啟動(dòng)鈦鉬鎳合金靶電弧獲得金屬等離子體，鈦鉬鎳合金靶電弧電流調(diào)整為40A～120A，進(jìn)行中間耐點(diǎn)蝕過(guò)渡層(2)的沉積制備，時(shí)間為30min～180min；

(4)到時(shí)后停止鈦鉬鎳合金靶電弧，再降低氬氣分壓為0.1Pa～0.4Pa，啟動(dòng)氣體離子源裝置，調(diào)整離子束電流為1A～3A，提高偏壓為500V～1000V，進(jìn)行中間耐點(diǎn)蝕過(guò)渡層(2)表面的離子濺射缺陷去除處理，時(shí)間為5min～20min；

(5)到時(shí)后停止離子源裝置工作，調(diào)整氬氣分壓為0.5Pa～2Pa，降低偏壓為50V～200V，啟動(dòng)碳靶電弧，碳靶電弧電流為60A～100A，再啟動(dòng)鈦鉬鎳合金靶電弧，鈦鉬鎳合金靶電弧電流調(diào)整為0A～120A，進(jìn)行表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)即碳非晶鈦鉬鎳納米晶復(fù)合薄膜的沉積制備，時(shí)間為10min～90min；到時(shí)后進(jìn)行停止合金靶和碳靶電弧工作、卸偏壓、停止供氣、停止加熱，經(jīng)充分爐冷后即可取出已經(jīng)表面改性處理好的金屬雙極板。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長(zhǎng)壽命雙極板，其特征在于，所述的金屬薄板雙極板基材(1)的材質(zhì)為TA1工業(yè)純鈦薄板雙極板或316L不銹鋼薄板雙極板。

3.一種帶有表面鈦鉬鎳碳薄膜的燃料電池長(zhǎng)壽命雙極板的制備方法，采用有熱絲增強(qiáng)放電并輔以氣體離子源增強(qiáng)濺射刻蝕的電弧離子鍍方法在金屬薄板雙極板基材(1)表面依次沉積中間耐點(diǎn)蝕過(guò)渡層(2)及表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)，其特征在于，具體步驟如下：

(1)將電弧離子鍍?cè)O(shè)備真空室一側(cè)安裝在真空環(huán)境中能發(fā)射大量熱電子的熱絲裝置，另一側(cè)再安裝使惰性氣體能獲得電激發(fā)離化的氣體離子源裝置，在真空室內(nèi)壁均布有管狀加熱器裝置；在均勻分布的多個(gè)陰極靶位上分別相間隔安裝碳靶和鈦鉬鎳合金靶，其中鉬的質(zhì)量百分含量為0.2％～34.5％，鎳的質(zhì)量百分含量為0.0％～1.2％，其余為鈦；

(2)將金屬薄板雙極板基材(1)經(jīng)超聲清洗并烘干處理后，安放于電弧離子鍍真空室的工件卡具上，關(guān)閉艙門后由真空系統(tǒng)將真空室真空抽到5×10^-3Pa以上，啟動(dòng)加熱裝置使金屬薄板雙極板基材(1)加熱到200℃～350℃，之后充入氬氣，氬氣分壓為0.4Pa～1.0Pa，加偏壓為500V～1000V，引發(fā)輝光等離子體，再啟動(dòng)熱絲裝置進(jìn)行等離子體放電增強(qiáng)，通入熱絲的電流為3A～30A，熱絲兩端的電壓為10V～50V，熱絲偏壓電源的偏壓為10V～50V，進(jìn)行金屬薄板雙極板基材(1)表面等離子體增強(qiáng)的濺射清洗，時(shí)間為5min～30min；到時(shí)后停止熱絲裝置工作，降低氬氣分壓為0.1Pa～0.4Pa，啟動(dòng)氣體離子源裝置，調(diào)整離子束電流為1A～3A，進(jìn)行金屬薄板雙極板基材(1)表面離子濺射刻蝕和活化處理，時(shí)間為5min～20min；

(3)到時(shí)后停止離子源裝置工作，調(diào)整氬氣分壓為0.5Pa～2Pa，降低偏壓為50V～200V，啟動(dòng)鈦鉬鎳合金靶電弧獲得金屬等離子體，鈦鉬鎳合金靶電弧電流調(diào)整為40A～120A，進(jìn)行中間耐點(diǎn)蝕過(guò)渡層(2)的沉積制備，時(shí)間為30min～180min；

(4)到時(shí)后停止鈦鉬鎳合金靶電弧，再降低氬氣分壓為0.1Pa～0.4Pa，啟動(dòng)氣體離子源裝置，調(diào)整離子束電流為1A～3A，提高偏壓為500V～1000V，進(jìn)行中間耐點(diǎn)蝕過(guò)渡層(2)表面的離子濺射缺陷去除處理，時(shí)間為5min～20min；

(5)到時(shí)后停止離子源裝置工作，調(diào)整氬氣分壓為0.5Pa～2Pa，降低偏壓為50V～200V，啟動(dòng)碳靶電弧，碳靶電弧電流為60A～100A，再啟動(dòng)鈦鉬鎳合金靶電弧，鈦鉬鎳合金靶電弧電流調(diào)整為0A～120A，進(jìn)行表面鈦鉬鎳碳薄膜(3)即碳非晶鈦鉬鎳納米晶復(fù)合薄膜的沉積制備，時(shí)間為10min～90min；到時(shí)后進(jìn)行停止合金靶和碳靶電弧工作、卸偏壓、停止供氣、停止加熱，經(jīng)充分爐冷后即可取出已經(jīng)表面改性處理好的金屬雙極板。