[发明专利]一种用于燃料电池金属双极板的石墨微晶碳涂层及应用

说明书

本发明涉及一种用于燃料电池金属双极板的石墨微晶碳涂层及应用，该涂层涂覆在金属双极板表面，所述的石墨微晶碳涂层为类石墨涂层，该涂层中包含石墨微晶5‑50wt％，同时具备较好的致密性。该涂层在常规的磁控溅射技术的基础上，通过改变靶材溅射电源、溅射磁场强度、涂层沉积温度等方法改变沉积粒子能量，进而改变碳涂层结构，从而制备高导电、耐腐蚀、稳定的碳涂层。与现有技术相比，本发明在不增加涂层制备成本的前提下，能够降低燃料电池金属双极板与气体扩散层间接触电阻，同时提高碳涂层在燃料电池酸性环境中的耐腐蚀性能及长时间测试后导电性能的稳定性，对推动燃料电池的商业化进程具有重要意义。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种用于燃料电池金属双极板的石墨微晶碳涂层及应用。

背景技术

燃料电池使用氢气作为能源，具有高效清洁的特点，在许多领域具有广泛的应用前景。其中，双极板作为燃料电池的重要组成部分之一，其性能好坏制约着燃料电池的商业化进程。金属材料因其具有较好的机械性能、耐腐蚀性能及低成本等优势，已成为燃料电池双极板的主要材料。

燃料电池金属双极板一般工作在pH值为2-5、温度为70-100℃的高温高湿酸性环境中，该环境下服役的金属材料表面会发生钝化形成一层致密、导电性差的金属氧化膜，导致金属极板与气体扩散层间接触电阻增大，进而导致电池因欧姆极化产生的电压损失增加，电池输出功率下降。因此，仅靠金属材料制备的双极板不能满足燃料电池对其较好耐腐蚀性能、较低接触电阻的性能要求。目前可通过PVD(物理气相沉积)、CVD(化学气相淀积)、离子镀、化学镀、电镀等方式在金属双极板表面镀覆功能性薄膜，以提高其耐腐蚀性并降低接触电阻，其中，制备的非晶碳膜、贵金属薄膜在一定程度上已满足美国能源部对燃料电池极板提出的要求，但贵金属薄膜成本高，制约着其商业化应用。由于碳资源量丰富且无害，考虑资源及环境问题，碳是一种极好的材料，目前国内外多针对非晶碳膜进行改进，以提高其耐腐蚀性，降低接触电阻。

碳涂层具有较好的导电性能及耐腐蚀性，但燃料电池汽车实际车载工况较为复杂，其中低载怠速、循环加载、启动停止等典型工况均会导致碳涂层性能衰减，同时燃料电池使用寿命也要求涂层具有较好的稳定性及耐久性。中国专利CN101640276A公开了一种燃料电池双极板无定型碳涂层，该涂层具备较好的导电性及耐腐蚀性，但数据表明其接触电阻在双极板工作压力下大于10mΩ·〖cm〗^2，同时该涂层在长时间电化学测试后导电性能未知；中国专利CN 107978770A公开了一种使用PECVD方法在燃料电池金属隔板表面制备碳涂层的方法，该涂层依旧存在着在隔板工作压紧力下接触电阻较高的缺陷，同时该涂层耐久性未知。本发明将通过增加磁控溅射中的粒子能量以优化碳涂层结构，从而获取高导电、耐腐蚀且稳定的燃料电池金属双极板碳涂层。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于燃料电池金属双极板的石墨微晶碳涂层。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于燃料电池金属双极板的石墨微晶碳涂层，其特征在于，包括：

耐蚀金属打底层：沉积于去除表面油污、氧化层的金属双极板表面，用以提高碳涂层与金属基体的结合力，同时进一步提高涂层在燃料电池服役环境中的耐腐蚀性；

耐蚀金属与碳涂层共存过渡层：沉积于金属打底层表面，用以降低涂层内应力，进一步提高涂层结合力及其稳定性；

最外层石墨微晶碳涂层：沉积于耐蚀金属与碳涂层共存过渡层表面，用以保证涂层与气体扩散层较低的接触电阻，同时保证涂层较好的稳定性及耐久性。

优选的，所述的金属打底层，采用磁控溅射的方法进行沉积，涂层厚度为1-100nm；

进一步地，所述的金属打底层中耐蚀金属包括Ti、Cr、W、Zr、Nb或Ta中的一种或更多种。

优选的，所述的耐蚀金属与碳涂层共存过渡层，采用耐蚀金属靶与石墨靶共同溅射的方式进行沉积，涂层厚度为1-100nm；