CN104103841A - 用于燃料电池的金属隔板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的金属隔板及其制造方法，其中具有微小厚度的石墨碳层形成于基板的表面上，以提高导电性。该制造方法包括：制备金属基板；将金属基板装载到具有真空环境的腔室内；通过将从涂布源电离的碳离子沉积在金属基板的表面上来涂布石墨碳层；和将涂布有石墨碳层的金属基板卸载到所述腔室的外部。

Description

用于燃料电池的金属隔板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的金属隔板及其制造方法。更具体地，本发明涉及一种用于燃料电池的金属隔板及其制造方法，其中具有微小厚度的石墨碳层形成于基板的表面上，从而提高导电性。

背景技术

一般而言，燃料电池是一种使用氢气和氧气之间的氧化还原反应将化学能转化成电能的发电装置。由于燃料电池的单元电池的实用性因低的输出电压而降低，因此，燃料电池一般作为通过堆叠几个至几百个单元电池而形成的燃料电池组使用。当单元电池被堆叠时，隔板执行单元电池之间的电连接，分离反应气体，并作为冷却水流过其中的流动路径操作。

当金属隔板作为典型的隔板使用时，通过降低隔板的厚度，可以降低燃料电池组的体积和重量，并且可以使用冲压制造燃料电池组，从而允许大规模生产。金属隔板具有高的导电性和改进的机械性能和可加工性，但是当燃料电池是在较高的温度和湿度环境下时会发生金属隔板的腐蚀。

相关技术提供了一种方法，该方法通过使用薄膜焊接方法依次形成用于提高导电性的金属层和用于在金属隔板的基板上增强耐腐蚀性的氧化层，并然后连接导电粒子（例如，石墨）到氧化层内的金属层，同时提高了导电性和耐腐蚀性。

然而，在如上所述的常规方法中，低密度的导电粒子可能与金属层的表面分离。因此，导电性可能会降低，并且暴露于所述金属层的表面的金属可能会被腐蚀。

发明内容

本发明提供一种用于燃料电池的金属隔板及其制造方法，其中具有微小厚度的石墨碳层形成于基板的表面上，从而提高了导电性。

一方面，本发明提供一种用于燃料电池的金属隔板的制造方法，包括：制备金属基板的第一处理；加载金属基板到具有真空环境的腔室内的第二处理；通过在金属基板的表面上沉积从涂布源电离的碳离子来涂布石墨碳层的第三处理；和卸载具有其上涂布有石墨碳层涂布的金属基板到所述腔室的外部的第四处理。

在一个示例性实施例中，可以在约200℃至1000℃的温度，在约10^-2托至10^-5托的压力气氛下保持所述腔室内的真空环境。

在另一示例性实施例中，在第三处理中，通过选自直流电流、交流电流和脉冲频率中任意一种的形式施加约-30V至-1200V的负电压到金属基板的表面，可以加速碳离子。

在又一示例性实施例中，第三处理中可以使用包括物理气相沉积（PVD）或等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的薄膜沉积方法。石墨碳层可以成形为约1nm至50nm的厚度。

在又一示例性实施例中，制造方法可进一步包括在第三处理之前在腔室内形成氩气环境的等离子体预处理工序。

另一方面，本发明提供一种用于燃料电池的金属隔板，该金属隔板可包括金属基板和涂布在金属基板的表面上的细晶状石墨碳层，其中所述石墨碳层是形成为约1nm至50nm厚度的隔板。在一个示例性实施例中，该隔板可具有约15mΩcm²或更小的接触电阻。

根据本发明，可以仅将具有纳米级的相当薄的厚度的石墨碳层涂布在金属基板的表面上，并因此可制造满足用于燃料电池的金属隔板的表面要求特征的具有相当低的接触电阻的金属隔板。

附图说明

现在，将通过参考附图所示的示例性实施例详细描述本发明的上述和其他特征，这些示例性实施例仅以例证的方式给出，，并因此不限制本发明，其中：

图1是根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的金属隔板的制造方法的示例性流程图；

图2示出根据本发明的示例性实施例的金属隔板的示例性表面处理工序。

图3示出根据本发明的示例性实施例，由对施加常温处理和高温处理的每个样品进行拉曼分析而获得的示例性结果；和

图4示出根据本发明的一个示例性实施例，当无定形碳和石墨碳分别双重涂布在载玻片上时，通过测量透射率而获得的示例性结果。

应该理解的是，附图不必按比例绘制，呈现出说明本发明的基本原则的各种示例性特征的某种程度上已简化的表示。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如，具体尺寸、取向、位置和形状，将部分由特定应用和使用环境确定。

在附图中，参考标号适用于贯穿图中若干图的本发明的相同或同等部分。

具体实施方式

本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施例的目的而不意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种（a、an）”和“该（the）”也意在包括复数形式，除非上下文中清楚指明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语“包括（comprises和/或comprising）”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

除非详细说明或者可以从上下文中明显地看出，本文中使用的术语“约”应当理解为是在本领域的正常公差范围之内，比如在均值的2个标准误差内。“约”可理解为在所述值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%、或0.01%之内。除非在上下文中另外明确地说明，本文中所有的数量值通过术语“约”进行修饰。

现在将在下文中详细参考本发明的各种示例性实施例，其示例示于附图中并在下面描述。虽然本发明将结合示例性实施例描述，但是将理解的是，本说明书并不旨在限制本发明到那些示例性实施例。相反，本发明旨在不仅涵盖示例性实施例，而且涵盖包括在由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的各种替代方案、修改、等同物及其他实施例。

本发明提供一种用于燃料电池的金属隔板的表面处理，特别是，细晶状石墨碳层可以直接形成于金属隔板的表面上，以提高导电性和耐腐蚀性。

如图1中所示，在根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的金属隔板的制造方法中，可以首先将用作金属隔板的基板的预定的金属材料加工成隔板的形状，并可以对所加工的金属材料进行初步清洗，以制备金属基板（S10）。不锈钢可以用作所述金属材料，并且作为耐腐蚀/耐酸材料的特种合金的理想的不锈钢可以用作该金属材料。具体地，金属材料可包括例如，SUS316L等。

另外，可以将如上所述制备的金属基板加载到具有真空环境（或加工环境）的腔室内（S11）。腔室内的真空环境可以通过使用真空泵、加热器等形成。具体地，真空环境可以形成为这样的处理环境，即形成约200℃至1000℃的温度和约10^-2托至10^-5托的压力的处理环境。涂布，在通过将石墨碳层涂布在金属基板的表面而制造隔板的过程中，可以恒定地保持真空环境。换句话说，在约10^-2托至10^-5托的真空状态，保持约200℃至1000℃的涂布温度的原位（in-situ）状态下，通过在金属基板的表面沉积而形成石墨碳层上。

接着，通过使用等离子体源在腔室内形成Ar气气氛的等离子体场，将氩（Ar）离子注入到金属基板的表面，以清洗和活化金属基板的表面（S12）。换句话说，通过使用等离子体源的预处理可以将氧化物膜或其他污染物从金属基板的表面除去，并且在沉积碳层之前，活化该基板的表面，以提高金属基板和石墨碳层之间的粘附性。

此外，如图2中所示，离子化的涂布材料可以从在腔室内的涂布源1生成并发散出，以沉积在金属基板2的表面上（S13）。通过使用薄膜沉积方法，如物理气相沉积（PVD）或等离子体增强化学气相沉积（PECVD），在约0.1kW至5.0kW的放电功率下，从涂布源1发散的涂层材料可以涂布在金属基板2的表面上，并且烃（CxHx）气体可以被用作涂布源1。换句话说，碳气氛的等离子体场可在腔室内通过从气体涂布源（或等离子源）生成并发射出碳离子而形成，并且可以用约0.1kW至5.0kW的放电功率进行金属基板的涂布。特别是，从烃涂层源生成的碳离子可以被注入到金属基板的表面，以在金属基板的表面上形成石墨碳层。碳离子可以被注入到金属基板的表面，并且同时，石墨碳层可以沉积并形成于金属基板的表面上。

烃气体可以是无定形碳基材料。然而，烃气体可以通过在腔室内的进行离子化处理沉积在金属基板上，以涂布细晶状石墨碳层（如石墨）在金属基板的表面上。在金属基板的表面上形成的石墨碳层可形成为约1nm至50nm薄的厚度。当石墨碳层的厚度形成小于约1nm时，可能难以在金属基板的表面上局部地形成石墨碳层。当石墨碳层的厚度形成为大于约50nm时，可能会发生生产效率和经济效益的降低。

当石墨碳层被涂布在金属基板的表面上时，通过施加约-30V至-1200V的负电压到金属基板的表面，可以加速注入到金属基板的表面的碳离子，以拦截在金属基板中充电的电荷（例如，防止电荷的存储）并提高金属基板和碳层之间的粘合性。特别是，可以选自直流电流、交流电流和脉冲频率的任何一种的形式对金属基板施加负电压。具体地，从约0.1kHz至400kHz的频率范围可以用作脉冲频率。

当约-30V或更小的负电压施加到金属基板时，碳离子的加速可能不充分，因此，石墨碳层和金属基板之间的粘合性可能会降低。当大于约-1200V的负电压施加到金属基板时，由于过量碳离子的碰撞，在金属基板中可能会产生局部缺陷。

在石墨碳层如上所述形成于金属基板的表面上之后，金属基板可以在常温（例如，25℃）和常压（例如，环境压力或1atm）条件下卸载到腔室的外部（S14）。在高温（例如，450℃）和高压条件下加载到腔室内的金属基板可以在常温和常压条件下卸载到腔室的外部。如上所述制造的金属隔板可以具有约15mΩcm²或更小的接触电阻，从而提高导电性。因此，通过上述处理可以制造满足用于燃料电池的隔板的表面要求特征的金属隔板。

测量根据本实施例的金属隔板的接触电阻（CER），结果表明金属隔板的CER在10kgf/cm²的条件下，接触电阻为15mΩcm²或更少。通常，当涂层涂布在金属基板的表面时，相对于包括中间层的整个涂层，要求约500nm（0.5μm）的沉积厚度。然而，在本发明中，虽然涂层形成为几nm的相当薄的厚度，但是可以实现接触电阻的特征，其可以满意地用作用于燃料电池的隔板。

因此，在本发明中，石墨碳层可以形成为纳米级的相当薄的沉积厚度，基本上缩短了处理金属隔板以具有低的接触电阻（例如，在10kgf/cm²或更小的的条件下，具有15mΩcm²或更小的接触电阻）的处理时间。换句话说，当纳米级的薄的沉积厚度形成时，用于改善金属隔板的表面特征的处理可以在相当短的时间内在原位状态下进行。因此，石墨碳层可以在温度、真空度和其他条件都保持在与将石墨碳层涂布在金属基板的表面上的所有处理中相同的状态下形成。

另外，使用如PVD或PECVD的方法，在约10^-2托至10^-5托的压力气氛下，在约200℃至1000℃的处理温度，将从等离子体源（或涂布源）电离的碳沉积在由等离子体预处理活化的金属基板的表面上的处理中，碳沉积和结晶可以通过由碳离子生成的能量、从外部施加的热能、施加到金属基板的电能等连续地在金属基板的表面上进行。因此，石墨碳层可以在原位状态下沉积。

同时，图3示出通过制备第一隔板样品（其中碳薄膜在沉积处理温度保持为约25℃的常温状态下涂布在金属基板的表面上）、制备第二隔板样品（其中碳薄膜在沉积处理温度保持为450℃的高温状态下涂布在金属基板的表面上），然后在每个样品上进行拉曼分析而获得的示例性结果。另外，根据本发明类似地设定其他处理条件。

如图3中所示，一般称为类金刚石碳的无定形碳（a-C:H）的结构示于第一隔板样品中，其中碳薄膜在常温下沉积。另一方面，如图所示，与细晶状石墨（μc-石墨），例如石墨，的结构类似的结构示于第二隔板样品中，其中碳薄膜在高温下沉积。

为了比较根据常规技术的沉积在金属基板的表面上的无定形碳层透射率与根据本发明的沉积在金属基板的表面上的石墨碳层的透射率，图4示出通过分别沉积无定形碳和石墨碳在载玻片的两个表面上并然后测量无定形碳和石墨碳的透射率而获得的示例性结果。如图4中所示，由于薄膜的结晶，石墨碳的透射率小于无定形碳的透射率。

本发明已参考示例性实施例进行了详细描述。然而，本领域的技术人员将会理解的是，在不背离本发明的原则和精神的情况下可以对这些实施例进行改变，本发明的范围限定在所附权利要求书及其等同物中。

Claims (11)

1.一种用于燃料电池的金属隔板的制造方法，包括：

制备金属基板；

将所述金属基板装载到具有真空环境的腔室内；

通过将从涂布源电离的碳离子沉积在所述金属基板的表面上而涂布石墨碳层；和

将涂布有石墨碳层的金属基板卸载到所述腔室的外部。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其中在约10^-2托至10^-5托的压力环境下，在约200℃至1000℃的温度，保持所述腔室内的真空环境。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其中，在所述涂布处理中，通过施加约-30V至-1200V的负电压到所述金属基板的表面来加速碳离子。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其中在所述涂布处理中，通过施加负电压到所述金属基板的表面来加速碳离子，并且所述负电压以选自直流电流、交流电流和脉冲频率的任意一种的形式施加。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其中在涂布处理中使用包括物理气相沉积（PVD）或等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的薄膜沉积方法。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其中在所述涂布处理中，在约0.1kW至5.0kW的放电功率，将从所述涂布源电离的碳离子沉积在金属基板的表面上。

7.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述石墨碳层形成为约1nm至50nm的厚度。

8.根据权利要求1所述的制造方法，其进一步包括：

在所述涂布处理之前，在所述腔室内成形氩气环境。

9.根据权利要求1所述的制造方法，其中烃（CxHx）气体被用作所述涂布源。

10.一种用于燃料电池的金属隔板，包括：

金属基板；和

涂布在所述金属基板的表面上的细晶状石墨碳层，

其中所述石墨碳层是形成为约1nm至50nm的厚度的隔板。

11.根据权利要求10所述的金属隔板，其中所述隔板具有约15mΩcm²或更小的接触电阻。