CN104051743B - 金属双极板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属双极板，包括钛基片及其表面改性层，所述表面改性层由紧邻所述钛基片的钛改性层和紧邻所述钛改性层的铬改性层组成。本发明的金属双极板以钛改性层作为过渡层，其主要作用是增加铬改性层与钛基片的结合力，还兼具有抗腐蚀的能力，从而提高薄膜层的附着力，避免高硬度的Cr化合物薄膜容易出现裂纹、脱落等现象；铬改性层主要起抗腐蚀、降低接触电阻的作用，从而提高金属双极板的表面导电性、延长金属双极板的使用寿命。

Description

金属双极板及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池电极技术领域，具体涉及一种金属双极板及其制备方法。
背景技术
氢质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有环境友好、转换效率高、室温快速启动、噪音低等优点，可以用于可移动式电源、备用电源、动力电源、固定式电站等领域，目前作为军民两用的清洁能源设备受到广泛的青睐。
PEMFC的关键部件之一——双极板，常选用石墨作为基材，然而传统的石墨双极板体积大、机械强度低、成本高，难以在提高功率密度、抗震等方面有所突破，从而限制了其在动力电源等方面的应用。解决方法之一是采用新型的金属双极板。金属材料具有高导电性、阻气性好、易加工成型、机械强度高、延展性好等优势，能很大程度地提高PEMFC的体积和质量功率密度，同时降低生产成本。金属双极板的基材可以选择镍合金、不锈钢、钛、铝等材料，其中钛具有质量轻、柔韧性好、在酸、碱性环境中均具有良好化学稳定性等优点，是作为双极板的理想材料。
但是，在PEMFC的运行环境中常含有F-、SO4 2-、SO3 2-、CO3 2-、HSO4 -等离子，并且启动时阴极与阳极电压差最大可达1V，运行温度一般在60-90℃。在这样恶劣的条件下，首先要避免金属极板的电化学腐蚀。F-离子及弱酸性的环境中，钛会被缓慢的侵蚀；另一方面，保护钛表面的自钝化膜是绝缘的，增加了钛与碳纸间的接触电阻，这是在双极板制备过程中需要考虑解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出金属双极板及其制备方法，以提高提高金属双极板的表面导电性和耐腐蚀性能。
基于上述目的，本发明提供的金属双极板包括钛基片及其表面改性层，所述表面改性层由紧邻所述钛基片的钛改性层和紧邻所述钛改性层的铬改性层组成。
可选地，所述钛改性层由钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物中的一种或多种组成，所述铬改性层由铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物中的一种或者多种组成。
较佳地，所述钛改性层从钛基片到铬改性层依次设有钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物中的一种或多种，所述铬改性层从紧邻铬改性层处开始依次设有铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物中的一种或者多种。
较佳地，在所述钛改性层中，碳的摩尔浓度为25～40％，氮的摩尔浓度为20～56％，在所述铬改性层中，碳的摩尔浓度为33～64％，氮的摩尔浓度为20～50％。
可选地，在所述钛改性层中，所述钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物的摩尔浓度分别为10～90％、10～95％、5～50％；
在所述钛改性层中，所述铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物的摩尔浓度分别为10～80％、5～70％、25～75％。
优选地，在所述钛改性层中，所述钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物的摩尔浓度分别为20～65％、25～50％、15～35％；
在所述钛改性层中，所述铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物的摩尔浓度分别为10～60％、8～50％、25～45％。
可选地，所述钛基片的厚度为0.08～3mm，所述钛改性层的厚度为0.1～2μm，所述铬改性层的厚度为0.2～3μm。
本发明还提供了一种制备上述金属双极板的方法，包括以下步骤：
1)沉积钛改性层：若沉积钛氮化物，则向真空腔体通入氮气和氩气，氩气携带体积分数为60％～85％的氮气，得到的钛氮化物厚度为0.2～2μm；若沉积钛碳氮化物时，则向真空腔体通入氮气、乙炔和氩气，氮气和乙炔的流量比为1:0.8～2，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的60～85％，得到的钛碳氮化物厚度为0.2～2μm；若沉积钛碳化物，则向真空腔体通入乙炔和氩气，氩气携带体积分数为65～90％的乙炔，得到的钛碳化物厚度为0.2～2μm；
2)沉积铬改性层：若沉积铬氮化物，则向真空腔体通入氮气和氩气，氩气携带体积分数为60％～85％的氮气，得到的铬氮化物厚度为0.8～2.5μm；若沉积铬碳氮化物，则向真空腔体通入氮气、乙炔和氩气，氮气和乙炔的流量比为1:0.2～2.5，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的60～85％，得到的铬碳氮化物厚度为0.8～2.5μm；若沉积铬碳化物，则向真空腔体通入乙炔和氩气，氩气携带体积分数为65～90％的C2H2，得到的铬碳化物厚度为0.8～2.5μm。
可选地，所述氮气和乙炔的流量比为1:1～1.6，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的70～80％。
可选地，所述氮气、乙炔和氩气，氮气和乙炔的流量比为1:0.8～1.8，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的70～80％。
较佳地，在沉积钛改性层前，将钛基底在氢氟酸和盐酸的混合液中进行表面除油和去钝化层处理，所述混合液中去离子水、浓盐酸和氢氟酸的体积比为7～13:2～5:1；然后对腔体进行抽真空，待真空度达到小于10-4Pa后，通入0.5～3Pa的氩气，钛基片温度保持在250～450℃。
从上面所述可以看出，本发明的金属双极板以钛改性层作为过渡层，其主要作用是增加铬改性层与钛基片的结合力，还兼具有抗腐蚀的能力，从而提高薄膜层的附着力，避免高硬度的Cr化合物薄膜容易出现裂纹、脱落等现象；铬改性层主要起抗腐蚀、降低接触电阻的作用，从而提高金属双极板的表面导电性、延长金属双极板的使用寿命。本发明提供的金属双极板能够避免针孔、大颗粒晶粒等缺陷的形成，克服单层薄膜的结合力弱、寿命短等缺点，从而提高钛金属板的表面长期耐腐蚀性。而且本发明提供的金属双极板制备方法具有制备成本低廉、适用于大规模化生产的优点。从而能达到提高金属板PEMFC的发电性能和长时间运行的要求。
附图说明
图1为本发明实施例1与实施例2中得到的样品、未表面处理的钛片和CrN/Ti的接触电阻随测试压强的变化曲线；
图2为本发明实施例1与实施例2中样品、未表面处理的钛片和CrN/Ti的动电位极化曲线图。测试溶液组成为0.5MH2SO4+5ppmHF，温度70℃，通入空气，扫描电位范围为-0.25V～0.85V(vs.SCE)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的金属双极板，包括钛基片及其表面改性层，所述表面改性层由紧邻所述钛基片的钛改性层和紧邻所述钛改性层的铬改性层组成。
可选地，所述钛改性层由钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物中的一种或多种组成，所述铬改性层由铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物中的一种或者多种组成。
较佳地，所述钛改性层从钛基片到铬改性层依次设有钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物中的一种或多种，所述铬改性层从紧邻铬改性层处开始依次设有铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物中的一种或者多种。
作为本发明的一个实施例，所述钛改性层可以是单层钛氮化物或单层钛碳氮化物。
作为本发明的又一个实施例，所述钛改性层可以是选自以下组合的双层结构中的一种：钛氮化物/钛碳氮化物、钛氮化物/钛碳化物、钛碳氮化物/钛碳化物、钛碳氮化物/钛氮化物。
作为本发明的又一个实施例，所述铬改性层可以是单层铬氮化物或单层铬碳氮化物或单层铬碳化物。
作为本发明的又一个实施例，所述铬改性层可以是选自以下组合的双层结构中的一种：铬氮化物/铬碳氮化物、铬氮化物/铬碳化物、铬碳氮化物/铬碳化物。
可选地，在所述钛改性层中，碳的摩尔浓度为0～40％，氮的摩尔浓度为10％～56％，在所述铬改性层中，碳的摩尔浓度为0～64％，氮的摩尔浓度为0～50％。
较佳地，在所述钛改性层中，碳的摩尔浓度为25～40％，氮的摩尔浓度为20～56％，在所述铬改性层中，碳的摩尔浓度为33～64％，氮的摩尔浓度为20～50％。
作为本发明的另一个实施例，在所述钛改性层中，所述钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物的摩尔浓度分别为多少50％，50％，0％。
作为本发明的另一个实施例，在所述钛改性层中，所述钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物的摩尔浓度分别为多少45％，45％，10％。
作为本发明的另一个实施例，在所述钛改性层中，所述钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物的摩尔浓度分别为多少30％，0％，70％。
作为本发明的另一个实施例，在所述钛改性层中，所述钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物的摩尔浓度分别为多少0％，40％，60％。
作为本发明的另一个实施例，在所述铬改性层中，所述铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物的摩尔浓度分别为35％，40％，25％。
作为本发明的另一个实施例，在所述铬改性层中，所述铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物的摩尔浓度分别为0％，63％，37％。
作为本发明的另一个实施例，在所述铬改性层中，所述铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物的摩尔浓度分别为48％，0％，52％。
作为本发明的另一个实施例，在所述铬改性层中，所述铬氮化物、铬碳氮化物和铬氮碳化物的摩尔浓度分别为20％，80％，0％。
优选地，所述钛基片的厚度为0.08～3mm，所述钛改性层的厚度为0.1～2μm，所述铬改性层的厚度为0.2～3μm。
本发明还提供一种制备上述金属双极板的方法，包括以下步骤：
1)沉积钛改性层：若沉积钛氮化物，则向真空腔体通入氮气和氩气，氩气携带体积分数为60％～85％的氮气，得到的钛氮化物厚度为0.2～2μm；若沉积钛碳氮化物时，则向真空腔体通入氮气、乙炔和氩气，氮气和乙炔的流量比为1:0.8～2，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的60～85％，得到的钛碳氮化物厚度为0.2～2μm；若沉积钛碳化物，则向真空腔体通入乙炔和氩气，氩气携带体积分数为65～90％的乙炔，得到的钛碳化物厚度为0.2～2μm；
2)沉积铬改性层：若沉积铬氮化物，则向真空腔体通入氮气和氩气，氩气携带体积分数为60％～85％的氮气，得到的铬氮化物厚度为0.8～2.5μm；若沉积铬碳氮化物，则向真空腔体通入氮气、乙炔和氩气，氮气和乙炔的流量比为1:0.2～2.5，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的60～85％，得到的铬碳氮化物厚度为0.8～2.5μm；若沉积铬碳化物，则向真空腔体通入乙炔和氩气，氩气携带体积分数为65～90％的C2H2，得到的铬碳化物厚度为0.8～2.5μm。
可选地，所述氮气和乙炔的流量比为1:1～1.6，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的70～80％。
可选地，所述氮气、乙炔和氩气，氮气和乙炔的流量比为1:0.8～1.8，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的70～80％。
较佳地，在沉积钛改性层前，将钛基底在氢氟酸和盐酸的混合液中进行表面除油和去钝化层处理，所述混合液中去离子水、浓盐酸和氢氟酸的体积比为7～13:2～5:1；然后对腔体进行抽真空，待真空度达到小于10-4Pa后，通入0.5～3Pa的氩气，钛基片温度保持在250～450℃。
实施例1
预处理：采用L400型多弧离子镀设备进行薄膜的沉积。首先，将0.1mm厚的钛基片在氢氟酸和盐酸的混合液中进行表面除油和去钝化层处理，用去离子水清洗处理后的钛基片，再将钛基片放置于基片位上。镀膜腔中有四个靶位，在相对的2个阴极弧源上安装Ti靶，在另一对靶位上安装Cr靶。其中，所述混合液中去离子水、浓盐酸和氢氟酸的体积比可以为10:4:1。
溅射清洗：对腔体进行抽真空，待真空度达到小于10-4Pa后，向真空腔体通入1.5Pa的Ar气，钛基片温度保持在320℃。在进行薄膜沉积之前，在-800V的偏压下对钛基片进行溅射清洗，溅射时间为15min，钛基片温度保持在320℃。
沉积钛改性层：
1)TiN的沉积：打开Ti靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持1.5Pa；向真空腔体通入N2气和Ar气，使Ar气携带体积分数为75％的N2气，控制反应时间，得到的TiN层厚度为0.8μm；
2)TiCN的沉积：打开Ti靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持1.5Pa；向真空腔体通入N2气、C2H2和Ar气，N2和C2H2的流量比为1:1.2，C2H2和N2气的体积之和占气体总体积的75％，控制反应时间，得到的TiCN层厚度为1.6μm。
沉积铬改性层：
1)CrN的沉积：打开Cr靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持1.5Pa；向真空腔体通入N2气和Ar气，使Ar气携带体积分数为75％的N2气，控制反应时间，得到的CrN层厚度可为1.2μm；
2)CrCN的沉积：打开Cr靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持在1.5Pa，向真空腔体通入N2、C2H2和Ar气，N2和C2H2的流量比为1:1.8，C2H2和N2气的体积之和占气体总体积的75％，控制反应时间，得到的CrCN层厚度为2.1μm。
在沉积过程中，启动电弧采用金属靶随时间交替启停的方式进行，每次启动电弧蒸发时间为30-100S，停止电弧时间是60～150S，交替进行，直至镀膜结束。
测试样品与碳纸间接触电阻ICR，在压强为150N/cm2，达到15.1mΩ·cm2；模拟电池阴极侧腐蚀环境下的腐蚀电流Icor≤1μA/cm2。
其中，所述钛基片可以是纯钛或钛合金板。
实施例2
预处理和溅射清洗步骤与实施例1相同。
沉积钛改性层：
1)TiCN的沉积：打开Ti靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持1.5Pa；向真空腔体通入N2气、C2H2和Ar气，N2和C2H2的流量比为1:1.3，C2H2和N2气的体积之和占气体总体积的70％，控制反应时间，得到的TiCN层厚度为0.8μm；
2)TiC的沉积：打开Ti靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持1.5Pa；向真空腔体通入C2H2和Ar气，使Ar气携带体积分数为70％的C2H2，控制反应时间，得到的TiC层厚度为1.6μm。
沉积铬改性层：
1)CrN的沉积：打开Cr靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持1.5Pa；向真空腔体通入N2气和Ar气，使Ar气携带体积分数为72％的N2气，控制反应时间，得到的CrN层厚度可为2μm；
2)CrC的沉积：打开Cr靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持在1.5Pa，向真空腔体通入C2H2和Ar气，使Ar气携带体积分数为78％的C2H2，控制反应时间，得到的CrC层厚度为0.9μm。
在沉积过程中，启动电弧采用金属靶随时间交替启停的方式进行，每次启动电弧蒸发时间为30-100S，停止电弧时间是60～150S，交替进行，直至镀膜结束。
测试样品与碳纸间接触电阻ICR，在压强为150N/cm2，达到13.5mΩ·cm2；模拟电池阴极侧腐蚀环境下的腐蚀电流Icor≤1μA/cm2。
实施例3
预处理：采用L400型多弧离子镀设备进行薄膜的沉积。首先，将0.1mm厚的钛基片在氢氟酸和盐酸的混合液中进行表面除油和去钝化层处理，用去离子水清洗处理后的钛基片，再将钛基片放置于基片位上。镀膜腔中有四个靶位，在相对的2个阴极弧源上安装Ti靶，在另一对靶位上安装Cr靶。其中，所述混合液中去离子水、浓盐酸和氢氟酸的体积比可以为9:5:1。
溅射清洗：对腔体进行抽真空，待真空度达到小于10-4Pa后，向真空腔体通入2.0Pa的Ar气，钛基片温度保持在280℃。在进行薄膜沉积之前，在-800V的偏压下对钛基片进行溅射清洗，溅射时间为20min，钛基片温度保持在280℃。
沉积钛改性层：
TiN的沉积：打开Ti靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持2.0Pa；向真空腔体通入N2气和Ar气，使Ar气携带体积分数为85％的N2气，控制反应时间，得到的TiN层厚度为0.2～2μm。
沉积铬改性层：
1)CrCN的沉积：打开Cr靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持在2.0Pa，向真空腔体通入N2、C2H2和Ar气，N2和C2H2的流量比为1:0.8，C2H2和N2气的体积之和占气体总体积的68％，控制反应时间，得到的CrCN层厚度为1.75μm；
2)CrC的沉积：打开Cr靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持在2.0Pa，向真空腔体通入C2H2和Ar气，使Ar气携带体积分数为88％的C2H2，控制反应时间，得到的CrC层厚度为1.16μm。
测试样品与碳纸间接触电阻ICR，在压强为150N/cm2，达到12.4mΩ·cm2；模拟电池阴极侧腐蚀环境下的腐蚀电流Icor≤1μA/cm2。
其中，所述钛基片可以是纯钛或钛合金板。
实施例4
预处理和溅射清洗步骤与实施例3相同。
沉积钛改性层：
1)TiN的沉积：打开Ti靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持2.2Pa；向真空腔体通入N2气和Ar气，使Ar气携带体积分数为80％的N2气，控制反应时间，得到的TiN层厚度为0.66μm；
2)TiC的沉积：打开Ti靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持2.2Pa；向真空腔体通入C2H2和Ar气，使Ar气携带体积分数为85％的C2H2，控制反应时间，得到的TiC层厚度可为0.85μm。
沉积铬改性层：
CrCN的沉积：打开Cr靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持在2.2Pa，向真空腔体通入N2、C2H2和Ar气，N2和C2H2的流量比为1:2.4，C2H2和N2气的体积之和占气体总体积的65％，控制反应时间，得到的CrCN层厚度为1.68μm；
测试样品与碳纸间接触电阻ICR，在压强为150N/cm2，达到13.8mΩ·cm2；模拟电池阴极侧腐蚀环境下的腐蚀电流Icor≤1μA/cm2。
实施例5
预处理和溅射清洗步骤与实施例1相同。
沉积钛改性层：
1)TiCN的沉积：打开Ti靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持1.5Pa；向真空腔体通入N2气、C2H2和Ar气，N2和C2H2的流量比为1:1.9，C2H2和N2气的体积之和占气体总体积的66％，控制反应时间，得到的TiCN层厚度为0.3μm；
2)TiC的沉积：打开Ti靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持1.5Pa；向真空腔体通入C2H2和Ar气，使Ar气携带体积分数为74％的C2H2，控制反应时间，得到的TiC层厚度可为1.22μm。
沉积铬改性层：
CrC的沉积：打开Cr靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持在1.5Pa，向真空腔体通入C2H2和Ar气，使Ar气携带体积分数为70％的C2H2，控制反应时间，得到的CrC层厚度可为2.05μm。
测试样品与碳纸间接触电阻ICR，在压强为150N/cm2，达到13.3mΩ·cm2；模拟电池阴极侧腐蚀环境下的腐蚀电流Icor≤1μA/cm2。
实施例6
预处理和溅射清洗步骤与实施例3相同。
沉积钛改性层：
TiCN的沉积：打开Ti靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持1.8Pa；向真空腔体通入N2气、C2H2和Ar气，N2和C2H2的流量比为1:1.1，C2H2和N2气的体积之和占气体总体积的81％，控制反应时间，得到的TiCN层厚度为0.75μm。
沉积铬改性层：
CrN的沉积：打开Cr靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持1.8Pa；向真空腔体通入N2气和Ar气，使Ar气携带体积分数为73％的N2气，控制反应时间，得到的CrN层厚度可为1.25μm。
测试样品与碳纸间接触电阻ICR，在压强为150N/cm2，达到14.1mΩ·cm2；模拟电池阴极侧腐蚀环境下的腐蚀电流Icor≤1μA/cm2。
实施例7
预处理和溅射清洗步骤与实施例1相同。
沉积钛改性层：
1)TiCN的沉积：打开Ti靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持1.5Pa；向真空腔体通入N2气、C2H2和Ar气，N2和C2H2的流量比为1:0.92，C2H2和N2气的体积之和占气体总体积的70％，控制反应时间，得到的TiCN层厚度为0.55μm；
2)TiN的沉积：打开Ti靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持1.5Pa；向真空腔体通入N2气和Ar气，使Ar气携带体积分数为70％的N2气，控制反应时间，得到的TiN层厚度为1.0μm。
沉积铬改性层：
1)CrCN的沉积：打开Cr靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持在1.5Pa，向真空腔体通入N2、C2H2和Ar气，N2和C2H2的流量比为1:2.4，C2H2和N2气的体积之和占气体总体积的75％，控制反应时间，得到的CrCN层厚度为2.1μm；
2)CrC的沉积：打开Cr靶的遮蔽板，靶上所加偏压为-60V，气压保持在1.5Pa，向真空腔体通入C2H2和Ar气，使Ar气携带体积分数为75％的C2H2，控制反应时间，得到的CrC层厚度可为1.8μm。
测试样品与碳纸间接触电阻ICR，在压强为150N/cm2，达到13.8mΩ·cm2；模拟电池阴极侧腐蚀环境下的腐蚀电流Icor≤1μA/cm2。
图1为本发明实施例1与实施例2中得到的样品、未表面处理的钛片和CrN/Ti的接触电阻随测试压强的变化曲线。从图中可知，本发明实施例1与实施例2中得到的样品与碳纸间接触电阻明显低于未表面处理的钛片和CrN/Ti样品的接触电阻，并达到了小于20Ωcm2(双面)的要求。
图2为本发明实施例1与实施例2中样品、未表面处理的钛片和CrN/Ti的动电位极化曲线图。测试溶液组成为0.5MH2SO4+5ppmHF，温度70℃，通入空气，扫描电位范围为-0.25V～0.85V(vs.SCE)。从图中可知，本发明实施例1与实施例2中得到的样品的腐蚀电压均高于未表面处理钛片和CrN/Ti样品的腐蚀电压，腐蚀电流密度明显小于后两者的腐蚀电流密度，本发明的金属极板提高了表面镀层的耐腐蚀性，并使腐蚀电流在电压为0.6V时小于1μA/cm2。
由此可见，本发明的金属双极板以钛改性层作为过渡层，其主要作用是增加铬改性层与钛基片的结合力，还兼具有抗腐蚀的能力，从而提高薄膜层的附着力，避免高硬度的Cr化合物薄膜容易出现裂纹、脱落等现象；铬改性层主要起抗腐蚀、降低接触电阻的作用，从而提高金属双极板的表面导电性、延长金属双极板的使用寿命。
本发明提供的金属双极板能够避免针孔、大颗粒晶粒等缺陷的形成，克服单层薄膜的结合力弱、寿命短等缺点，从而提高钛金属板的表面长期耐腐蚀性。而且本发明提供的金属双极板制备方法具有制备成本低廉、适用于大规模化生产的优点。从而能达到提高金属板PEMFC的发电性能和长时间运行的要求。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种金属双极板，其特征在于，包括钛基片及其表面改性层，所述表面改性层由紧邻所述钛基片的钛改性层和紧邻所述钛改性层的铬改性层组成，
所述钛改性层从钛基片到铬改性层依次设有钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物中的一种或多种，所述铬改性层从紧邻钛改性层处开始依次设有铬氮化物、铬碳氮化物和铬碳化物中的一种或者多种；
在所述钛改性层中，碳的摩尔浓度为25～40％，氮的摩尔浓度为20～56％，在所述铬改性层中，碳的摩尔浓度为33～64％，氮的摩尔浓度为20～50％。
2.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，在所述钛改性层中，所述钛氮化物、钛碳氮化物和钛碳化物的摩尔浓度分别为10～90％、10～95％、5～50％；
在所述铬改性层中，所述铬氮化物、铬碳氮化物和铬碳化物的摩尔浓度分别为10～80％、5～70％、25～75％。
3.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，所述钛基片的厚度为0.08～3mm，所述钛改性层的厚度为0.1～2μm，所述铬改性层的厚度为0.2～3μm。
4.一种制备权利要求1～3中任意一项所述的金属双极板的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)沉积钛改性层：若沉积钛氮化物，则向真空腔体通入氮气和氩气，氩气携带体积分数为60％～85％的氮气，得到的钛氮化物厚度为0.2～2μm；若沉积钛碳氮化物时，则向真空腔体通入氮气、乙炔和氩气，氮气和乙炔的流量比为1:0.8～2，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的60～85％，得到的钛碳氮化物厚度为0.2～2μm；若沉积钛碳化物，则向真空腔体通入乙炔和氩气，氩气携带体积分数为65～90％的乙炔，得到的钛碳化物厚度为0.2～2μm；
2)沉积铬改性层：若沉积铬氮化物，则向真空腔体通入氮气和氩气，氩气携带体积分数为60％～85％的氮气，得到的铬氮化物厚度为0.8～2.5μm；若沉积铬碳氮化物，则向真空腔体通入氮气、乙炔和氩气，氮气和乙炔的流量比为1:0.2～2.5，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的60～85％，得到的铬碳氮化物厚度为0.8～2.5μm；若沉积铬碳化物，则向真空腔体通入乙炔和氩气，氩气携带体积分数为65～90％的C2H2，得到的铬碳化物厚度为0.8～2.5μm。
5.根据权利要求4所述的金属双极板的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述氮气和乙炔的流量比为1:1～1.6，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的70～80％。
6.根据权利要求4所述的金属双极板的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述氮气和乙炔的流量比为1:0.8～1.8，乙炔和氮气的体积之和占气体总体积的70～80％。
7.根据权利要求4所述的金属双极板的制备方法，其特征在于，在沉积钛改性层前，将钛基底在氢氟酸和盐酸的混合液中进行表面除油和去钝化层处理，所述混合液中去离子水、浓盐酸和氢氟酸的体积比为7～13:2～5:1；然后对腔体进行抽真空，待真空度达到小于10-4Pa后，通入0.5～3Pa的氩气，钛基片温度保持在250～450℃。
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