[發明專利]一種用于燃料電池金屬雙極板的石墨微晶碳涂層及應用

有效

• 申請號: 201810812159.1
• 申請日: 2018-07-23
• 公開（公告）號: CN109037723B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 彭林法;李驍博;易培云;邱殿凱;來新民
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M8/0213
• 分類號: H01M8/0213;H01M8/0228;H01M8/0206;C23C14/35;C23C14/06;C23C14/02
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

本發明涉及一種用于燃料電池金屬雙極板的石墨微晶碳涂層及應用，該涂層涂覆在金屬雙極板表面，所述的石墨微晶碳涂層為類石墨涂層，該涂層中包含石墨微晶5?50wt％，同時具備較好的致密性。該涂層在常規的磁控濺射技術的基礎上，通過改變靶材濺射電源、濺射磁場強度、涂層沉積溫度等方法改變沉積粒子能量，進而改變碳涂層結構，從而制備高導電、耐腐蝕、穩定的碳涂層。與現有技術相比，本發明在不增加涂層制備成本的前提下，能夠降低燃料電池金屬雙極板與氣體擴散層間接觸電阻，同時提高碳涂層在燃料電池酸性環境中的耐腐蝕性能及長時間測試后導電性能的穩定性，對推動燃料電池的商業化進程具有重要意義。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，涉及一種用于燃料電池金屬雙極板的石墨微晶碳涂層及應用。

背景技術

燃料電池使用氫氣作為能源，具有高效清潔的特點，在許多領域具有廣泛的應用前景。其中，雙極板作為燃料電池的重要組成部分之一，其性能好壞制約著燃料電池的商業化進程。金屬材料因其具有較好的機械性能、耐腐蝕性能及低成本等優勢，已成為燃料電池雙極板的主要材料。

燃料電池金屬雙極板一般工作在pH值為2-5、溫度為70-100℃的高溫高濕酸性環境中，該環境下服役的金屬材料表面會發生鈍化形成一層致密、導電性差的金屬氧化膜，導致金屬極板與氣體擴散層間接觸電阻增大，進而導致電池因歐姆極化產生的電壓損失增加，電池輸出功率下降。因此，僅靠金屬材料制備的雙極板不能滿足燃料電池對其較好耐腐蝕性能、較低接觸電阻的性能要求。目前可通過PVD(物理氣相沉積)、CVD(化學氣相淀積)、離子鍍、化學鍍、電鍍等方式在金屬雙極板表面鍍覆功能性薄膜，以提高其耐腐蝕性并降低接觸電阻，其中，制備的非晶碳膜、貴金屬薄膜在一定程度上已滿足美國能源部對燃料電池極板提出的要求，但貴金屬薄膜成本高，制約著其商業化應用。由于碳資源量豐富且無害，考慮資源及環境問題，碳是一種極好的材料，目前國內外多針對非晶碳膜進行改進，以提高其耐腐蝕性，降低接觸電阻。

碳涂層具有較好的導電性能及耐腐蝕性，但燃料電池汽車實際車載工況較為復雜，其中低載怠速、循環加載、啟動停止等典型工況均會導致碳涂層性能衰減，同時燃料電池使用壽命也要求涂層具有較好的穩定性及耐久性。中國專利CN101640276A公開了一種燃料電池雙極板無定型碳涂層，該涂層具備較好的導電性及耐腐蝕性，但數據表明其接觸電阻在雙極板工作壓力下大于10mΩ·〖cm〗^2，同時該涂層在長時間電化學測試后導電性能未知；中國專利CN 107978770A公開了一種使用PECVD方法在燃料電池金屬隔板表面制備碳涂層的方法，該涂層依舊存在著在隔板工作壓緊力下接觸電阻較高的缺陷，同時該涂層耐久性未知。本發明將通過增加磁控濺射中的粒子能量以優化碳涂層結構，從而獲取高導電、耐腐蝕且穩定的燃料電池金屬雙極板碳涂層。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種用于燃料電池金屬雙極板的石墨微晶碳涂層。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種用于燃料電池金屬雙極板的石墨微晶碳涂層，其特征在于，包括：

耐蝕金屬打底層：沉積于去除表面油污、氧化層的金屬雙極板表面，用以提高碳涂層與金屬基體的結合力，同時進一步提高涂層在燃料電池服役環境中的耐腐蝕性；

耐蝕金屬與碳涂層共存過渡層：沉積于金屬打底層表面，用以降低涂層內應力，進一步提高涂層結合力及其穩定性；

最外層石墨微晶碳涂層：沉積于耐蝕金屬與碳涂層共存過渡層表面，用以保證涂層與氣體擴散層較低的接觸電阻，同時保證涂層較好的穩定性及耐久性。

優選的，所述的金屬打底層，采用磁控濺射的方法進行沉積，涂層厚度為1-100nm；

進一步地，所述的金屬打底層中耐蝕金屬包括Ti、Cr、W、Zr、Nb或Ta中的一種或更多種。

優選的，所述的耐蝕金屬與碳涂層共存過渡層，采用耐蝕金屬靶與石墨靶共同濺射的方式進行沉積，涂層厚度為1-100nm；