[發明專利]一種用于燃料電池金屬雙極板的薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 202110200615.9
• 申請日: 2021-02-23
• 公開（公告）號: CN112803033B
• 公開（公告）日: 2023-10-20
• 發明（設計）人: 李栓;湯思遙;杜軍釗;李彤巖;李星國;李松
• 申請（專利權）人: 北京大學;北京華勝信安電子科技發展有限公司
• 主分類號: H01M8/0228
• 分類號: H01M8/0228;H01M8/0206
• 代理公司: 北京東正專利代理事務所(普通合伙) 11312
• 代理人: 劉瑜冬

本發明公開了一種用于燃料電池金屬雙極板的薄膜及其制備方法，該薄膜由氧化物摻雜氮化物組成，氧化物為Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、SiO₂中一種或兩種以上物質混合而成，氮化物為CrN、TiN、NbN、ZrN中的一種；該薄膜中氧化物的百分含量為1?5at％，其余為氮化物。該方法包括如下步驟：步驟一：清洗金屬襯底，打磨金屬單質靶材；步驟二：將金屬襯底、金屬單質靶材和氧化物靶材安裝于磁控濺射鍍膜機內，進行預濺射；步驟三：將金屬襯底接入負偏壓，通入氮氣和氬氣；步驟四：進行磁控濺射，金屬襯底表面沉積氧化物和氮化物，形成薄膜。本發明的薄膜具備優異的耐腐蝕性和導電性并且壽命長，疏水性佳，各項指標均滿足DOE標準。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，尤其涉及一種用于燃料電池金屬雙極板的薄膜及其制備方法。

背景技術

面對日益嚴峻的環境污染和能源危機問題，發展一種無污染可再生的新型能源越來越受到人們的重視。氫能由于反應效率高，反應副產物無污染，被認為是最有潛力代替化石燃料可再生的新型能源之一。質子交換膜燃料電池作為一種新型動力電池，是以氫能為燃料將氫能直接轉化為電能的新型能量轉化裝置，具有有碳排放量低、能量轉換效率高、工作溫度低(100攝氏度)、啟動速度快等優點，被認為是用于車載能源和分布式發電站的理想裝置。

雙極板是質子交換膜燃料電池核心組件之一，它起到將燃料電池中的陽極燃料和陰極氧分開以提供流場并為電堆傳導電流的作用。為實現上述功能，雙極板應具有良好的導電性和導熱性、高耐腐蝕性和抗氣體滲透性、良好的機械性能和低成本等特性。

在眾多雙極板材料中，金屬雙極板憑借優異的導電、導熱，阻氣及機械加工性能，越來越受到人們的青睞，豐田Mirai、本田Clarity和現代NEXO等乘用車均采用金屬雙極板。然而，未經處理的金屬雙極板在燃料電池工作時容易腐蝕，從而嚴重影響燃料電池的輸出功率和使用壽命，目前最常用的改進策略是在金屬雙極板表面鍍制一層既耐蝕又導電的薄膜，但一般情況下薄膜的導電性越優異，耐腐蝕性越差，這是限制金屬雙極板表面改性薄膜發展的最大瓶頸所在。

因此，開發一種兼具高耐腐蝕性、高導電性、壽命長且制備簡單的一種PEMFC金屬雙極板表面改性薄膜，是目前燃料電池領域丞待解決的難題。目前PEMFC金屬雙極板表面改性薄膜的研究方向主要分為兩大類：一是金屬基薄膜，例如貴金屬涂層(Au、Pt、Ag等)、金屬化合物涂層(TiN、TiCN、CrN)；二是碳基涂層，如石墨涂層、導電聚合物涂層、類金剛石涂層等。

發明內容

鑒于上述的分析，本發明通過磁控共濺射的方式，調節基底偏壓和摻雜氧化物種類，旨在提供一種氧化物摻雜改性的過渡金屬氮化物薄膜，其兼具高耐腐蝕、高導電及長壽命的特性。本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的：

本發明提供了一種用于燃料電池金屬雙極板的薄膜，該薄膜由氧化物摻雜氮化物組成，氧化物為Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、SiO₂中一種或兩種以上物質混合而成，氮化物為CrN、TiN、NbN、ZrN中的一種；

該薄膜中氧化物的百分含量為1-5at％，其余為氮化物。

進一步地，所述薄膜的厚度為100-500nm。

本發明還提供了用于燃料電池金屬雙極板的薄膜的制備方法，該方法包括如下步驟：

步驟一：清洗金屬襯底，打磨金屬單質靶材；

步驟二：將金屬襯底、金屬單質靶材和氧化物靶材安裝于磁控濺射鍍膜機內，進行預濺射；

步驟三：將金屬襯底接入負偏壓，通入氮氣和氬氣；

步驟四：進行磁控濺射，金屬襯底表面沉積氧化物和氮化物，形成薄膜。