[发明专利]高导电耐蚀类石墨碳防护多层复合涂层及其制法与应用

说明书

本发明公开了一种高导电耐蚀类石墨碳防护多层复合涂层及其制法与应用。所述高导电耐蚀类石墨碳防护多层复合涂层包括依次形成于基体表面的铬‑铱过渡层和类石墨非晶碳层，其中所述铬‑铱过渡层中铱元素的含量为2~10wt%。进一步的，所述基体包括金属双极板。本发明提供的高导电耐蚀类石墨碳防护多层复合涂层中包含有铬‑铱过渡层，其通过铱元素的掺入有效地提供了腐蚀缓冲层，该过渡层在腐蚀之后会形成氧化铱导电通路，这种导电通路可以避免氧化铬层的连续生成，避免了接触电阻大幅上升，从而实现对金属双极板的长效防护。

技术领域

本发明属于表面工程防护技术领域，具体涉及一种高导电耐蚀类石墨碳防护多层复合涂层及其制法与应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）是一种新型能源，它可以将氢能直接转化为电能。由于其具有启动快、工作温度相对较低、对各种环境反应迅速、无污染、能效高等优点，在新能源汽车、固定以及便携式电源方面有着很好的应用前景。质子交换膜燃料电池的一个电池单元通常由双极板（BPP）、膜电极（MEA）、密封垫和端板组成。在众多组件中，双极板占据着燃料电池80%的总质量，几乎全部的体积，以及约18%-28%的制造成本。双极板是质子交换膜燃料电池堆中的关键功能部件，他的主要功能有传导电子、分配化学燃料、分离单个电池、支撑膜电极以及促进电池内的水管理等。因此它必须满足易加工成型、耐电化学腐蚀、低界面电阻和低成本等要求。目前传统燃料电池广泛使用的是石墨双极板，但是其体积大、强度低，从而制约了大规模使用。具有高电导率、高热导率、高机械强度、低冲压成本和低气体渗透性等优异性能的金属板有望取代石墨成为双极板的主要材料。

质子交换膜燃料电池的运行环境通常为酸性（pH=2-3）、温湿（65-90℃）环境。酸性腐蚀介质在高温下，一方面会使金属双极板表面生成钝化层，从而增大金属双极板与气体扩散层（GDLs）之间的界面接触电阻（ICR）；另一方面，金属双极板容易产生严重腐蚀，上述两种后果均会影响电池的输出功率，导致电池性能快速下降。在金属双极板表面沉积防护涂层，是提高其表面导电性以及耐腐蚀性的有效手段。常用的防护涂层有贵金属涂层、金属氮化物或碳化物涂层、导电聚合物涂层等。非晶碳涂层是一种由金刚石相sp³以及石墨相sp²杂化形成的混合结构涂层，由于碳元素优异的化学惰性以及非晶碳特殊的机构，其具有很多优异性能，近年来针对非晶碳涂层在金属双极板表面防护涂层的应用引起广泛关注。但是，经长时间运行，接触电阻增大导致极板性能退化尤为严重。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高导电耐蚀类石墨碳防护多层复合涂层及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种高导电耐蚀类石墨碳防护多层复合涂层，其包括依次形成于基体表面的铬-铱过渡层和类石墨非晶碳层；其中，所述铬-铱过渡层中铱元素的含量为2~10wt%；并且，所述高导电耐蚀类石墨碳防护多层复合涂层在0.6V的标准工作电压下腐蚀电流密度小于5×10^-8A/cm²，沉积态接触电阻小于7mΩ•cm²，腐蚀24h后接触电阻小于10mΩ•cm²，腐蚀48h后接触电阻增大量在5%以内。

本发明实施例还提供了前述的高导电耐蚀类石墨碳防护多层复合涂层的制法，其包括：

提供作为基体的金属双极板；

采用高功率脉冲磁控溅射技术，以铬-铱复合靶为靶材，在所述基体的表面沉积形成铬-铱过渡层（同时也记为导电缓冲层），其中所述铬-铱复合靶中铱元素的含量为2~10wt%；

以及，采用直流磁控溅射技术，以石墨靶为靶材，在所述铬-铱过渡层表面沉积形成类石墨非晶碳层，从而获得高导电耐蚀类石墨碳防护多层复合涂层。