[發(fā)明專利]用于雙極板表面碳材料復(fù)合沉積的連續(xù)型設(shè)備及應(yīng)用方法

有效

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• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112609152B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黎煥明;畢飛飛;姜天豪;胡鵬;藍(lán)樹槐
• 申請（專利權(quán)）人: 上海治臻新能源股份有限公司
• 主分類號: C23C8/36
• 分類號: C23C8/36;C23C8/80;C23C14/06;C23C14/30;C23C14/35;C23C16/26;C23C16/50;C23C28/04
• 代理公司: 上海世圓知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31320
• 代理人: 陳穎潔;王佳妮

本發(fā)明的用于雙極板表面碳材料擴(kuò)散及復(fù)合沉積的連續(xù)型設(shè)備及應(yīng)用方法，從左至右依次包括：清洗室、等離子滲碳室、離子轟擊室、涂層沉積室和出片過渡室；等離子滲碳室的進(jìn)口閥門和出口閥門對角設(shè)置，內(nèi)設(shè)兩條平行的進(jìn)口傳動裝置和出口傳動裝置；3條同步橫向傳動裝置分別與進(jìn)口傳動裝置和出口傳動裝置互相垂直，且將它們分隔成四段；在清洗室、離子轟擊室、涂層沉積室以及出片過渡室設(shè)有進(jìn)口閥門、出口閥門和一條極板傳動裝置；各腔室依次水平對接，將兩個相鄰腔室互相連接起來；樣品架在極板傳動裝置上，從左至右依次穿過各個腔室，完成涂層的制備。本發(fā)明可以在雙極板表面連續(xù)化沉積碳涂層，提高了涂層和基底之間的結(jié)合性能和致密性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于雙極板表面碳材料復(fù)合沉積的連續(xù)型設(shè)備及應(yīng)用方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱PEMFC）采用氫氣為燃料進(jìn)行發(fā)電，并且產(chǎn)物為水無污染，對環(huán)境十分友好，目前已取得廣泛的應(yīng)用并得到重點(diǎn)關(guān)注，其應(yīng)用范圍已經(jīng)包括汽車，無人機(jī)、固定電站等。雙極板是PEMFC系統(tǒng)中的重要組件之一，占據(jù)了電堆重量的80%以及電堆成本的45%，并且承擔(dān)著以下功能：（1）分隔氧化劑和還原劑；（2）收集電流并且承擔(dān)電池系統(tǒng)的散熱；（3）為反應(yīng)氣體的流入和水的流出提供通道；（4）支撐膜電極。金屬極板具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性以及良好的機(jī)械性能已作為燃料電池極板材料的首選。在燃料電池典型的工作環(huán)境中，溫度60～90℃，溶液為弱酸性pH=2～3，并且存在0.6～0.95V大小的電位作用在極板上，尤其是在燃料電池的啟停工況條件下由于燃料供給不足會產(chǎn)生瞬時的高電位，未經(jīng)改性的金屬極板會發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕和溶解，析出的金屬離子會造成催化劑中毒，造成其活性下降，同時在金屬表面會形成致密的鈍化層，從而提高了表面的接觸電阻，降低燃料電池電堆的輸出性能，因此必須對金屬極板進(jìn)行表面改性。

通過物理氣相沉積，化學(xué)氣相沉積以及離子鍍等制備的碳基涂層——石墨、類石墨碳、類金剛石碳、富勒烯碳等已被大量學(xué)者研究證實(shí)能夠極大地提高基材的導(dǎo)電性以及耐蝕性，并且其制備工藝簡單，成本可控。但是在燃料電池實(shí)際工況長時間測試條件下，這些碳基涂層仍然面臨著涂層氧化以及涂層剝落兩大問題。金屬極板所用材料一般為不銹鋼，鈦合金或者鋁合金，如果直接在極板表面沉積碳基涂層，涂層與基體之間的結(jié)合能較低而無法實(shí)現(xiàn)很好的結(jié)合，造成涂層的脫落，因此一般在基體和涂層之間沉積一層或多層金屬過渡層來提高兩者之間的結(jié)合性能，但是經(jīng)過燃料電池工況長時間測試腐蝕溶液還是會滲透到基材，造成涂層脫落，同時過渡層金屬的氧化會加劇涂層的失效。

在金屬表面進(jìn)行滲碳能夠改善金屬表層及其亞表層的結(jié)構(gòu)和性能，例如專利CN105603359 A中提出一種在不銹鋼表面進(jìn)行輝光離子滲碳的方法來改善不銹鋼的表面硬度及其耐蝕性，雖然和基材具有很好的結(jié)合性能，但是這種方法難以改善基體表面的導(dǎo)電性，并且會在滲碳層表面形成大量的碳黑削弱性能。專利CN 105420663 A公開了一種間歇性的碳氮復(fù)合滲的表面處理方法改善鈦合金的性能，但是其復(fù)合滲溫度高達(dá)1000℃，對于極薄的金屬雙極板來說會產(chǎn)生極大變形。而且目前的真空滲碳裝置大部分都是在真空氣淬爐上進(jìn)行改進(jìn)難以適應(yīng)連續(xù)化的生產(chǎn)，因此本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)一種用于雙極板表面碳材料擴(kuò)散及復(fù)合沉積的連續(xù)型設(shè)備，連續(xù)化生產(chǎn)具有優(yōu)異結(jié)合性能以及導(dǎo)電耐蝕性的碳基涂層。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種用于雙極板表面碳材料復(fù)合沉積的連續(xù)型設(shè)備及應(yīng)用方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的碳涂層連續(xù)生產(chǎn)困難，避免傳統(tǒng)碳涂層中金屬過渡層的氧化和脫落的問題。

本發(fā)明的用于雙極板表面碳材料擴(kuò)散及復(fù)合沉積的連續(xù)型設(shè)備，其特征在于，包括5個真空腔室，從左至右依次為：清洗室、等離子滲碳室、離子轟擊室、涂層沉積室以及出片過渡室；