CN111224120A - 一种C/NbxC/Nb复合涂层改性的金属双极板及其制备方法与应用 - Google Patents

一种C/NbxC/Nb复合涂层改性的金属双极板及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池金属双极板C/NbxC/Nb复合涂层及其制备方法。以C靶和Nb靶为蒸发源，采用直流偏压多弧离子镀技术在金属双极板基底上沉积C/NbxC/Nb复合涂层，该涂层最外层为C层，中间层为NbxC层，最内层为Nb层。采用该方法制备的改性双极板界面电阻降低，耐蚀性增强，涂层与基底的结合力强，有利于提升燃料电池输出功率，延长电池工作寿命，且双极板表面疏水性变强，利于电池水管理。

Description

一种C/NbxC/Nb复合涂层改性的金属双极板及其制备方法与 应用
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种C/NbxC/Nb复合涂层改性的燃料电池金属双极板及其制备方法。
背景技术
燃料电池能够将反应物中的化学能通过电化学反应直接转化成直流电能，其能量转换效率高、噪音小且环境友好，在便携式电源、交通运输动力系统、固定电站等领域展现出巨大的应用前景。其中，质子交换膜燃料电池由于功率密度高、工作温度低、启动快，被认为是替代传统内燃机的有力竞争者。作为燃料电池关键组分之一，双极板发挥着导电、导热、传输反应气体及排出多余水分等重要作用。传统石墨双极板由于本身较脆的特点，需要达到一定的厚度才能满足机械强度要求，增加了燃料电池的体积和重量。因此，采用机械强度高、韧性好的金属材料制备超薄双极板是提升燃料电池体积和质量比功率的有效手段。然而，在燃料电池阴/阳极环境下，金属双极板会发生严重的腐蚀与钝化过程。腐蚀产生的金属阳离子会渗透到膜电极，影响催化剂的催化活性，降低膜的离子导电性和稳定性，从而影响燃料电池寿命。钝化产物聚集在双极板与气体扩散层界面，增加了界面接触电阻，降低了燃料电池输出功率。因此，在表面制备一层抗腐蚀的导电涂层成为金属双极板改性的重要方向。
中国专利公开说明书CN106920977A中公开了一种ITO/Nb复合改性的燃料电池金属双极板，涂层结构致密且与基底的结合力较强，但表面ITO在燃料电池工况下的抗腐蚀能力仍难以达到实际使用需求，且ITO具有一定的亲水性，不利于燃料电池水管理。中国专利公开说明书CN204834756U中公开了一种表面镀碳的燃料电池金属双极板，表面碳层在一定程度上将金属基底与腐蚀环境隔离，增加了双极板寿命，但涂层与基底结合力不强，容易脱落，使得金属基底再次暴露在腐蚀环境中。因此，界面导电性、抗腐蚀能力以、膜基结合力以及表面亲/疏水性是金属双极板表面改性时需要综合考虑的重要因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种经C/NbxC/Nb复合涂层改性的燃料电池金属双极板及其制备方法，降低金属双极板界面接触电阻，提升耐蚀性、膜基结合力以及疏水性。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明一方面提供一种用于燃料电池金属双极板的C/NbxC/Nb复合涂层，其特征在于，所述C/NbxC/Nb复合涂层由外层的C沉积层，中间层的NbxC沉积层以及内层的Nb沉积层组成。
基于以上技术方案，优选的，所述Nb沉积层的厚度为0.01～0.5μm。
基于以上技术方案，优选的，所述NbxC沉积层的厚度为0.1～3μm，所述NbxC为NbC、Nb2C中的至少一种。
基于以上技术方案，优选的，所述C沉积层的厚度为0.1～3μm。
本发明另一方面提供一种C/NbxC/Nb复合涂层改性的燃料电池金属双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将金属双极板基底经砂纸打磨，分别在去离子水和乙醇中超声清洗，并自然晾干；
(2)将经步骤(1)处理的金属双极板置于装有Nb靶和C靶的多弧离子镀膜机的工件架上作为基底，抽真空至≤5×10-3Pa，再向镀膜机内通氩气，使气压保持在0.4～1.0Pa；在-800～-500V的偏压下溅射清洗基底表面1～10min；所述工件架转速控制在10～100r/min；
(3)以Nb靶为蒸发源，控制基底偏压-350～-50V，沉积时间3～30min，在经步骤(2)处理的基底上沉积一层Nb涂层；
(4)以Nb靶和C靶为蒸发源，控制基底偏压-350～-50V，沉积时间10～60min，在经步骤(3)处理的基底上沉积一层NbxC涂层；
(5)以C靶为蒸发源，控制基底偏压-350～-50V，沉积时间10～60min，在经步骤(4)处理的基底上沉积一层C涂层，得到所述C/NbxC/Nb复合涂层改性的金属双极板。
基于以上技术方案，优选的，所述金属双极板材质为不锈钢、钛合金或铝合金中的任意一种。
基于以上技术方案，优选的，所述氩气流量为150～400sccm。
本发明还提供一种上述制备方法制备的金属双极板。
本发明还提供一种上述金属双极板在燃料电池中的应用。
有益效果
本发明的优点在于：采用C/NbxC/Nb复合涂层改性的金属双极板具有优异的界面导电性和抗腐蚀性能；内层Nb层与基底为冶金结合，使得改性层与双极板基底结合力增强，不易脱落；表面C层具有良好的疏水性能，利于燃料电池水管理；本发明涉及的工艺技术成熟，易大规模生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明说明。
实施例1
以不锈钢双极板作为基底材料，在基底表面沉积C/NbxC/Nb复合涂层，具体步骤如下：
(1)将基底用1200目SiC砂纸打磨，除去表面氧化层，依次在去离子水和乙醇中超声清洗，并自然晾干；
(2)将基底安装在多弧离子镀膜机的工件架上，工件架转速控制在50r/min，抽真空至3×10-3Pa，控制氩气流量为350sccm，使气压保持在0.7Pa；控制基底偏压在-700V，溅射清洗10min；
(3)以Nb靶为蒸发源，控制基底偏压在-300V，沉积10min得到Nb涂层；
(4)以Nb靶和C靶为蒸发源，控制基底偏压在-200V，沉积30min得到NbxC涂层；
(5)以C靶为蒸发源，控制基底偏压在-300V，沉积10min得到C涂层，得到C/NbxC/Nb复合涂层改性的不锈钢双极板。
实施例2
以不锈钢双极板作为基底材料，在基底表面沉积C/NbxC/Nb复合涂层，具体步骤如下：
(1)将基底用1200目SiC砂纸打磨，除去表面氧化层，依次在去离子水和乙醇中超声清洗，并自然晾干；
(2)将基底安装在多弧离子镀膜机的工件架上，工件架转速控制在50r/min，抽真空至3×10-3Pa，控制氩气流量为350sccm，使气压保持在0.7Pa；控制基底偏压在-700V，溅射清洗10min；
(3)以Nb靶为蒸发源，控制基底偏压在-300V，沉积5min得到Nb涂层；
(4)以Nb靶和C靶为蒸发源，控制基底偏压在-200V，沉积20min得到NbxC涂层；
(5)以C靶为蒸发源，控制基底偏压在-300V，沉积20min得到C涂层，得到C/NbxC/Nb复合涂层改性的不锈钢双极板。
实施例3
以钛合金作为基底材料，在基底表面沉积C/NbxC/Nb复合涂层，具体步骤如下：
(1)将基底用1200目SiC砂纸打磨，除去表面氧化层，依次在去离子水和乙醇中超声清洗，并自然晾干；
(2)将基底安装在多弧离子镀膜机的工件架上，工件架转速控制在50r/min，抽真空至3×10-3Pa，控制氩气流量为350sccm，使气压保持在0.7Pa；控制基底偏压在-800V，溅射清洗10min；
(3)以Nb靶为蒸发源，控制基底偏压在-300V，沉积3min得到Nb涂层；
(4)以Nb靶和C靶为蒸发源，控制基底偏压在-200V，沉积10min得到NbxC涂层；
(5)以C靶为蒸发源，控制基底偏压在-300V，沉积20min得到C涂层，得到C/NbxC/Nb复合涂层改性的钛合金双极板。

Claims (9)

1.一种C/NbxC/Nb复合涂层，其特征在于，所述C/NbxC/Nb复合涂层包括外层的C沉积层，中间层的NbxC沉积层以及内层的Nb沉积层。
2.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述Nb沉积层的厚度为0.01～0.5μm。
3.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述NbxC沉积层的厚度为0.1～3μm，所述NbxC为NbC、Nb2C中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述C沉积层的厚度为0.1～3μm。
5.一种C/NbxC/Nb复合涂层改性的金属双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将金属双极板基底经砂纸打磨，分别在去离子水和乙醇中超声清洗，并自然晾干；
(2)将经步骤(1)处理的金属双极板置于装有Nb靶和C靶的多弧离子镀膜机的工件架上，抽真空至≤5×10-3Pa，再向镀膜机内通氩气，使气压保持在0.4～1.0Pa，在-800～-500V的偏压下溅射清洗基底表面1～10min；所述工件架转速为10～100r/min；
(3)以Nb靶为蒸发源，控制基底偏压-350～-50V，沉积时间3～30min，在经步骤(2)处理的基底上沉积一层Nb涂层；
(4)以Nb靶和C靶为蒸发源，控制基底偏压-350～-50V，沉积时间10～60min，在经步骤(3)处理的基底上沉积一层NbxC涂层；
(5)以C靶为蒸发源，控制基底偏压-350～-50V，沉积时间10～60min，在经步骤(4)处理的基底上沉积一层C涂层，得到所述C/NbxC/Nb复合涂层改性的金属双极板。
6.根据权利要求5所述的燃料电池金属双极板C/NbxC/Nb复合涂层的制备方法，其特征在于，所述金属双极板材质为不锈钢、钛合金或铝合金中的任意一种。
7.根据权利要求5所述的燃料电池金属双极板C/NbxC/Nb复合涂层的制备方法，其特征在于，所述氩气流量为150～400sccm。
8.一种权利要求5所述制备方法制备的金属双极板。
9.一种权利要求8所述的金属双极板在燃料电池中的应用。
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