[发明专利]一种铝基燃料电池双极板表面复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铝基燃料电池双极板表面复合涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)将基体在真空条件下进行等离子体清洗；(2)在清洗后的基体上离子溅射沉积一层纯Ti涂层；(3)在纯Ti涂层上离子溅射沉积一层TiN过渡层；(4)在TiN过渡层上沉积一层银掺杂TiN涂层；(5)保持真空条件不变，进行热处理，使银掺杂TiN涂层中的银在TiN涂层的界面处形成短小银线，并发生团聚。采用该方法制备的银掺杂TiN涂层中的银不会自发逸出至表面，并在TiN涂层的界面处形成短小银线，提高了TiN涂层的导电性，降低了其表面接触电阻，且产品的耐蚀性大幅提高，为燃料电池极板金属化提供理论基础和实验依据。

技术领域

本发明涉及属于金属表面处理领域，具体涉及一种铝基燃料电池双极板表面改性方法，特别是一种在铝基燃料电池双极板表面制备银掺杂氮化钛复合涂层的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有转化效率高、无污染、启动快等优点而被认为是新能源汽车的终端动力。但由于传统的PEMFC双极板多为单板厚度2mm的石墨板，致使难以满足车用电池组的小体积、高能密度要求。因此，以0.5mm以下厚度的金属极板替代2mm厚的石墨板是实现车用燃料电池体积缩减的有效途径。但由于不锈钢、铝等金属的表面易钝化特性而致其接触电阻增大。故，在金属极板表面制备一层电导率和接触电阻与石墨极板相当、甚至小于石墨极板的导电涂层便成为燃料电池极板金属化需要解决的难点问题。

金属极板表面制备类石墨涂层虽然可以显著降低接触电阻，但即使在1.5MPa的接触压力下，其接触电阻值仍较纯石墨极板的接触电阻大许多。而氮化钛的电阻率(22×10-6Ω·cm)比纯石墨的电阻率(8～13×10-4Ω·cm)低两个数量级，因此选用氮化钛薄膜来改性铝极板表面的导电耐蚀性能。

但是，由于溅射方法制备的氮化钛膜层具有缺陷及晶型排布的差异，导致接触电阻偏高，因此有必要在氮化钛涂层中掺杂银来提高它的电导率，降低接触电阻。掺入金属银可以提高氮化钛涂层的电导率，但是会有少量的银自发逸出，影响膜层的耐蚀性能。因此，研究抑制银掺杂类氮化钛涂层中银自发逸出的方法，对燃料电池极板金属化具有重要的科学意义和工程价值，为后续燃料电池极板开发提供了理论和实验支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种铝基燃料电池双极板表面复合涂层的制备方法，采用该方法制备的银掺杂TiN涂层中的银不会自发逸出至表面，并在TiN涂层的界面处形成短小银线，提高了TiN涂层的导电性，降低了其表面接触电阻，且产品的耐蚀性大幅提高，为燃料电池极板金属化提供理论基础和实验依据。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种铝基燃料电池双极板表面复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将经前处理的基体置于装有Ti靶和Ag靶的真空腔内，在真空条件下进行等离子体清洗；

(2)以Ti靶为蒸发源，以氩气为工作气体，在真空条件下采用离子镀工艺在经步骤(1)处理后的基体上沉积一层纯Ti涂层；

(3)以Ti靶为蒸发源，以氩气和氮气为工作气体，在真空条件下采用离子镀工艺在步骤(2)所得的纯Ti涂层上沉积一层TiN过渡层；

(4)以Ti靶和Ag靶为蒸发源，以氩气和氮气为工作气体，在真空条件下采用离子镀工艺在步骤(3)所得的TiN过渡层上沉积一层银掺杂TiN涂层；

(5)保持真空条件不变，对经步骤(4)处理后的基体进行热处理，使银掺杂TiN涂层中的银在TiN涂层的界面处形成短小银线，并发生团聚。

优选的，所述热处理的具体过程为：以10～20℃/min的升温速率升至200℃～500℃，保温1h～12h后冷却至室温。