CN116154203A - 质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层及其制备方法和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层及其制备方法和燃料电池，包括提供一基底并对基底预处理；在预处理的基底上沉积形成一具有多层复合结构的含碳抗腐蚀涂层，该含碳抗腐蚀涂层包括从内至外依次层叠沉积于基底表面的基底接触层、中间层和无定形碳层。与现有技术相比，本发明的抗腐蚀涂层在起到抗腐蚀和电传导的作用同时还能够降低生产成本，适于大批量生产。

Description

质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层及其制备方法和燃料电池
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池及制备技术领域，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层及其制备方法和燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)不仅具有一般燃料电池的高效率、无污染、无噪声、可连续工作的特点，还具有功率密度高、工作温度低、启动快、使用寿命长等优点，在电动车、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，已引起越来越多国家和企业的重视。但由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)常规的工作环境通常为温度为60～80℃的强酸性溶液中，工作环境严苛，同时，鉴于质子交换膜燃料电池目前量产的需求，使得质子交换膜燃料电池面临着提高抗腐蚀和降低成本量大难题。
双极板作为质子交换膜燃料电池的关键部件之一，金属材料双极板因其强度高、加工性能好、气体不透过性能够阻隔氧化剂和还原剂，可制成很薄的双极板(最薄厚度可达0.1mm～0.3mm)，能大幅度提高电池组的比能量和比功率，并且可显著降低双极板的成本，是PEMFC商业化最有潜力的双极板材料。但是，金属材料在燃料电池工作环境中易于发生腐蚀或钝化，从而降低了电池性能，目前在金属双极板表面制备耐蚀、低接触电阻涂层是解决这一问题的主要方法。
目前，通常采用贵金属或者单纯的碳作为金属双极板的涂层，但采用贵金属制备得到涂层，一是在质子交换膜燃料电池严苛的工作环境中容易发生腐蚀或钝化，导致燃料电池的电池性能降低；二是贵金属的成本较高，从而提高了燃料电池的总体成本，不利于量产。而采用单纯的碳制备得到的涂层，一是碳涂层的抗腐蚀性能有限，易在燃料电池工作环境中发生腐蚀或钝化，从而降低其电池性能；二是由于碳涂层与金属双极板之间的结合力较弱，在PEMFC频繁启停条件下易导致涂层失效，进一步降低燃料电池的性能；三是碳涂层与金属双极板之间的热膨胀系数不一致，导致双极板在加工堆叠过程中容易受应力影响而降低性能。
因此，急需提出一种兼顾抗腐蚀性和生产成本的多层复合结构的涂层，来确保燃料电池的综合性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层及其制备方法和燃料电池，以解决现有技术中涂层的抗腐蚀性能差以及成本较高的问题。
为解决上述技术问题，本发明的一技术方案提供一种质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
提供一基底并对基底预处理；
在预处理的基底上沉积形成一具有多层复合结构的含碳抗腐蚀涂层。
进一步的，在所述在预处理的基底上沉积形成一具有多层复合结构的含碳抗腐蚀涂层的步骤中，形成含碳抗腐蚀涂层的具体方法为：
以金属和碳为靶材在预处理的基底表面溅射形成一中间层；
在中间层的表面溅射碳元素形成一无定型碳层。
进一步的，在所述以金属和碳为靶材在预处理的基底表面溅射形成一中间层的步骤中，所述中间层为金属碳化物层，形成中间层的具体方法为：
采用直流磁控溅射工艺并施加脉冲直流偏压，以金属和碳为靶材在所述基底表面共溅射金属碳化物形成所述中间层；且在溅射时，所述脉冲直流偏压为-50～200V，金属靶材和碳靶材均为2～5英寸的平面靶材，溅射功率均为100～200W，溅射时间为15～30min。
进一步的，在所述以金属和碳为靶材在预处理的基底表面溅射形成一中间层的步骤中，所述中间层包括M层金属碳化物层和N层金属层，所述金属碳化物层和金属层间隔层叠于所述基底表面，其中，M和N均为自然数，且M-N＝1；
形成中间层的具体方法为：
采用直流磁控溅射工艺并施加脉冲直流偏压，以金属和碳为靶材在所述基底表面溅射金属碳化物形成一金属碳化物层；
以金属为靶材在所述金属碳化物表面溅射金属形成一金属层；
分别执行溅射金属碳化物层和金属层的方法，形成间隔层叠于所述基底表面的M层金属碳化物层和N层金属层。
进一步的，在所述在中间层的表面溅射碳元素形成一无定型碳层的步骤中，形成无定形碳层的具体方法为：
采用直流磁控溅射工艺并周期性施加高低脉冲直流偏压，在所述中间层表面溅射形成所述无定形碳层。
进一步的，在所述以金属和碳为靶材在预处理的基底表面溅射形成一中间层的步骤之前，还包括以下步骤：
以金属为靶材在预处理的基底表面溅射金属形成一基底接触层。
进一步的，在所述以金属为靶材在预处理的基底表面溅射金属形成一基底接触层的步骤中，形成金属层的具体方法为：
采用直流磁控溅射工艺并施加脉冲直流偏压，以金属为靶材在所述基底表面表面溅射金属形成粘附于基底表面的基底接触层；且在溅射时，所述脉冲直流偏压为-50～200V，金属靶材为2～5英寸的平面靶材，溅射功率为100～200W，溅射时间为15～30min。
为解决上述技术问题，本发明的另一技术方案提供一种质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层，形成于燃料电池双极板的基底上，所述质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层为形成于基底上且具有多层复合结构的含碳抗腐蚀涂层，所述质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层采用如上所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法制备得到。
为解决上述技术问题，本发明的另一技术方案提供一种双极板，包括基底，所述基底上形成有采用如上所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法得到的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层或者形成有如上所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层。
为解决上述技术问题，本发明的又一技术方案提供一种质子交换膜燃料电池，包括形成有采用如上所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法得到的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层或者形成有如上所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层。
本发明通过在基底表面沉积一层具有多层复合结构的含碳抗腐蚀涂层，该含碳的抗腐蚀涂层具有从内至外层叠的中间层和无定形碳层，中间层为致密碳化层，其由金属、金属碳化物或者二者交替叠加形成，一方面能够起到抗腐蚀和电传导的作用，另一方面降低了单纯采用贵金属所带来的高昂成本，而形成于致密碳化层外的无定形碳层，其由大量的碳单质以及少量的金属碳化物形成，不仅进一步提高了涂层的抗腐蚀性能，还因在无定形碳层内不存在金属单质，降低了金属的氧化量，有利于提高涂层的接触电阻性能。同时，采用多层复合结构的涂层，由于金属材料的加入，相较于单纯的碳涂层，有效提高了涂层的机械性能，借由燃料电池工作的电势环境，能够进一步综合提高涂层的抗腐蚀性能。
另外，本发明还在制备含碳抗腐蚀涂层之前于基底上先制备一层基底接触层，基底接触层由金属或合金沉积得到，能够粘附于基底上，起到连接基底与抗腐蚀涂层的作用，从而增强涂层与基底之间的结合力，避免涂层失效，以提高燃料电池的性能；与此同时，制备得到的基底接触层与中间层之间具有相近的热膨胀系数，从而降低金属双极板制备后堆叠过程中应力对涂层的影响，进一步降低了涂层失效的风险，提高燃料电池的性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法的流程图。
图2为图1中步骤S2的流程图。
图3为本发明制备得到的抗腐蚀涂层的极化测试曲线。
图4为本发明实施例1的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法的流程图。
图5为本发明实施例2的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法的流程图。
图6为本发明实施例3的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
如图1所示，为本发明的一实施例提供的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法的流程图。本发明包括以下步骤：
S1：提供一基底并对基底预处理。
具体的，提供一基底，以作为后续涂层的生长载体，并对所述基底进行预处理，去除附着在基底上的颗粒、油污、有机残留以及氧化物等，以提高后续涂层生长的附着力，增加涂层与基底间结合的可靠性。在本实施例中，所述基底采用金属基底，以增加双极板的强度和加工性能并在工作中阻隔氧化剂和还原剂，从而提高双极板的性能。
具体的，在对所述基底进行预处理时，首先，用砂纸对基底的表面进行打磨、抛光至镜面或接近镜面程度，以去除基底表面的氧化物层、颗粒等，并通过打磨和抛光提高基底表面的平整度和光洁度，从而改善基底的表面性能；在本实施例中，所述砂纸优选采用800～1200目的碳化硅砂纸，打磨和抛光处理时可采用机械研磨抛光、电解抛光等。然后，将打磨、抛光后的基底置于超声清洗设备中，先后以异丙醇和蒸馏水作为清洗剂对基底进行超声清洗后使用高压空气将残留在基底上的水渍吹干，以去除基底的孔隙中的杂质、油污以及有机残留；在本实施例中，对基底进行超声清洗的功率为50～70KW，清洗时间为10～30min。最后，将超声清洗后的基底置于磁控溅射设备中，并在真空环境下，使用脉冲直流偏压并以氩等离子体对基底表面进行溅射清洗，进一步去除基底表面的氧化物和污物等，同时，通过氩离子的轰击，还能够提高基底表面的粗糙度，增加比表面积，从而能够在后续的成膜过程中，增加涂层与基底之间的结合力；在本实施例中，进行溅射清洗时，脉冲直流偏压设置为-600～700V。
可理解的，在其他的一些实施例中，在对基底进行清洗时，所述清洗剂还可选用具有较好溶脂能力的有机溶剂，如丙酮溶液、酒精等，清洗方式不限于超声清洗，也可以是浸泡、煮沸等方式进行清洗。
S2：在基底表面制备抗腐蚀涂层。
保持基底固定在磁控溅射设备中，以金属、金属和碳以及单碳作为靶材依次在预处理的基底表面沉积形成一具有多层复合结构的含碳的抗腐蚀涂层；所述含碳的抗腐蚀涂层包括从内至外依次层叠沉积于基底表面的基底接触层、中间层和无定形碳层。
如图2所示，所述步骤S2包括以下子步骤：
S21：在基底的表面溅射形成基底接触层。
在本实施例中，所述基底接触层作为连接基底与中间层的介质，采用金属溅射而成，所述金属既可以是金属单质，也可以是合金，如Cr、Nb、Ti、Ta中的一种或多种，可有效增大中间层与基底之间的结合力，与此同时，在基底的表面采用金属或合金沉积的基底接触层，在燃料电池的腐蚀环境中，能过快速与通入的氧结合生成一层致密氧化层，从而改善基底接触层在溅射过程中产生的孔隙和裂纹，防止电解液与基底接触而腐蚀基底。
具体的，保持基底置于磁控溅射设备中并固定，采用磁控溅射工艺并对基底施加脉冲直流偏压，以金属单质或合金作为溅射靶材在所述基底的表面溅射沉积与基底直接接触的金属单质或合金形成所述基底接触层，以作为基底与中间层的连接介质，提高后续膜层与基底之间的结合力，避免涂层失效，从而加强涂层的耐用性。在本实施例中，所述基底接触层的厚度为0.1～0.2μm，且在溅射时，所述脉冲直流偏压为-50～200V，金属单质或合金靶材为2～5英寸的平面靶材，金属单质或合金靶材的溅射功率为100～200W，金属单质或合金靶材的溅射时间为15～30min。
S22：在基底接触层的表面溅射形成中间层。
在本实施例中，所述中间层可以是单独的一层金属碳化物层，也可以是包括M层金属碳化物层和N层金属层交替层叠形成的多层结构的复合层(其中，M和N均为自然数，且M-N＝1)；所述中间层兼具抗腐蚀性能和电传导性能。当所述中间层为金属碳化物层时，通过金属与碳单质的反应在基底接触层的表面形成一层致密碳化层，以起到抗腐蚀的作用；而当所述中间层为金属碳化物层和金属层交替层叠形成的多层结构的复合层时，其兼具金属层和金属碳化层的抗腐蚀性能，并且由于其多层结构，能够进一步提高涂层的抗腐蚀性能。
当所述中间层为金属碳化物层时，保持基底置于磁控溅射设备中并固定，采用磁控溅射工艺并施加脉冲直流偏压，保持单质金属或合金靶材的溅射参数，启动碳靶材并将碳靶材的溅射参数调至与单质金属或合金靶材相对应，以金属单质或合金和碳为靶材在所述基底接触层的表面共溅射金属碳化物形成所述中间层；且在溅射时，所述脉冲直流偏压为-50～200V，金属靶材和碳靶材均为2～5英寸的平面靶材，二者的溅射功率均为100～200W，二者的溅射时间为15～30min。
当所述中间层为金属碳化物层和金属层层叠设置的复合层时，首先，采用上述制备金属碳化物层的方法在基底接触层的表面制备一层金属碳化物层；然后采用上述制备金属层的方法在该金属碳化物层的表面制备一层金属层，如此交替执行，直至制备至需要的金属碳化物层数和金属层数后，形成金属碳化层-金属层交替层叠的中间层。
在本实施例中，为增加中间层与基底的结合力，在中间层与基底之间制备有一层基底接触层，使中间层沉积于基底接触层的表面；可理解的，在其他的一些实施例中，所述中间层也可以直接沉积于基底表面，虽结合力不如沉积于基底接触层上，但同样能够起到抗腐蚀和电传导的作用。
可理解的，在其他的一些实施例中，还可以采用向磁控溅射设备中通入碳源气体(如乙炔等)的方式，通过碳源气体与金属靶材的反应形成所述中间层。
S23：在中间层的表面溅射形成无定形碳层。
在本实施例中，所述无定形碳层作为整个抗腐蚀涂层的最外层，在该膜层中，包含大量的碳单质和少部分金属碳化物，进一步提高了膜层的整体抗腐蚀性能；同时，该膜层中金属均与碳化物的形式的存在，不存在金属单质或合金，避免了金属氧化物的的产生，使得该膜层的性能发生变化，有利于提高整个涂层的接触电阻性能。
具体的，保持基底置于磁控溅射设备中并固定，采用磁控溅射工艺并周期性的施加高低脉冲直流偏压的方式在所述中间层外沉积形成一层与中间层结合的无定形碳层。在本实施例中，周期性更改偏压时，高偏压为600V，低偏压为150V，且高、低偏压更改的周期数为10～20，高偏压与低偏压的持续时间与更改的周期数呈倍数缩放。
本实施例在具体实现，各膜层的顺序可进行调换，只需确保基底接触层位于最内层而无定形碳层位于最外层即可。
如图3所示，为采用本发明制备得到的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层(以涂层从内至外分别为Cr-Nb/CrC-NbC/C为例)的极化测试曲线，其测试参数如表1所示：
表1
Specimen Temperature Ecorr(mV) I-0.1V(uA/cm-2) I0.6V(uA/cm-2)
CrC-NbC/Cr-Nb 80℃ <320 <0.1 <0.1
综合图3和表1，可以明显看出采用本发明的制备方法制备得到的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的满足DOE要求且耐蚀性能优异。
本实施例的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法，通过在基底上制备层叠设置的基底接触层、中间层和无定形碳层，采用非贵金属与碳元素，不仅能够起到抗腐蚀和电传导的作用，还能够降低单纯采用贵金属所带来的高昂成本；并且，形成于中间层与基底之间的基底接触层由金属或合金沉积得到，能够粘附于基底上，起到连接基底与抗腐蚀涂层的作用，从而增强涂层与基底之间的结合力，避免涂层失效，以提高燃料电池的性能；同时，制备得到的基底接触层与中间层之间具有相近的热膨胀系数，从而降低金属双极板制备后堆叠过程中应力对涂层的影响，进一步降低了涂层失效的风险，提高燃料电池的性能。
下面结合具体实例，对本发明的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法进行进一步详细说明。在具体说明本发明时，以基底为SS316L不锈钢基底、金属为Cr或Nb金属单质或二者组成的Cr-Nb合金、形成的金属碳化物为CrC和/或NbC为例进行详细说明。当然，可理解的，在其他的一些实施例中，所述基底也可以采用其他的金属材料制得，如铝、钛、镍等金属；金属也不仅限于Cr金属或Nb金属，也可以是Ti、Ta等其他非贵金属元素，所述金属碳化物也可以是其他金属元素与C元素结合形成的对应的金属碳化物。
实施例1
如图4所示，为本实施例的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法的流程图。本实施例所制备的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的结构从内至外依次为Cr-Nb-CrC-NbC-C，其中，Cr-Nb为基底接触层，CrC-NbC为中间层，C为无定形碳层。本实施例的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法具体步骤如下：
S101：提供一SS316L不锈钢基底并对SS316L不锈钢基底进行预处理。
首先，提供一SS316L不锈钢基底。
然后，用1200目的碳化硅砂纸将SS316L不锈钢基底的表面打磨、抛光至镜面程度。
接着，将打磨、抛光后的SS316L不锈钢基底置于超声清洗设备中，调节超声清洗设备的功率至65KW，先后以异丙醇和蒸馏水作为清洗剂对SS316L不锈钢基底进行超声清洗30min后使用高压空气将残留在SS316L不锈钢基底上的水渍吹干。
最后，将超声清洗后的SS316L不锈钢基底置于磁控溅射设备中，并在真空环境下，以-600～700V的脉冲直流偏压并以氩等离子体对SS316L不锈钢基底表面进行溅射清洗，完成SS316L不锈钢基底的预处理。
S102：在SS316L不锈钢基底的表面溅射形成Cr-Nb合金层。
保持SS316L不锈钢基底置于磁控溅射设备中并固定，采用磁控溅射工艺并施加-50～200V脉冲直流偏压，同步开启Cr金属靶材和Nb金属靶材，所述Cr金属靶材和Nb金属靶材均选用3英寸的平面靶材，二者的溅射功率设置为150W，溅射时间为30min，以在SS316L不锈钢基底的表面溅射沉积一层0.2μm厚的Cr-Nb合金层作为基底接触层。
S103：在Cr-Nb合金层的表面溅射形成CrC-NbC层。
继续保持SS316L不锈钢基底在磁控溅射设备中的位置并固定，并保持Cr金属靶材和Nb金属靶材的溅射参数，同时，启动碳靶材并施加相应的溅射功率，所述碳靶材同样选用3英寸的平面靶材，溅射30min后，在Cr-Nb合金层的表面形成一层CrC-NbC层。
S104：在CrC-NbC层的表面溅射形成C层。
保持SS316L不锈钢基底置于磁控溅射设备中并固定，将施加的脉冲直流偏压在高偏压600V和低偏压150V之间进行周期性更改，周期数设置为10，采用低偏压150V沉积的时间为1.8h，采用高偏压沉积的时间为0.2h，以在CrC-NbC层外沉积形成一C层，从而形成具有多层复合结构的含碳抗腐蚀涂层Cr-Nb-CrC-NbC-C。
在具体实现时，本实施例所制备得到的涂层均适用于阴极金属双极板和阳极金属双极板。
实施例2
如图5所示，为本实施例的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法的流程图。本实施例所制备的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的结构从内至外依次为Cr-CrC-Nb-NbC-C，其中，Cr为基底接触层，CrC-Nb-NbC为中间层(此时，M＝2，N＝1)，C为无定形碳层。本实施例的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法具体步骤如下：
S201：提供一SS316L不锈钢基底并对SS316L不锈钢基底进行预处理。
首先，提供一SS316L不锈钢基底。
然后，用1200目的碳化硅砂纸将SS316L不锈钢基底的表面打磨、抛光至镜面程度。
接着，将打磨、抛光后的SS316L不锈钢基底置于超声清洗设备中，调节超声清洗设备的功率至65KW，先后以异丙醇和蒸馏水作为清洗剂对SS316L不锈钢基底进行超声清洗30min后使用高压空气将残留在SS316L不锈钢基底上的水渍吹干。
最后，将超声清洗后的SS316L不锈钢基底置于磁控溅射设备中，并在真空环境下，以-600～700V的脉冲直流偏压并以氩等离子体对SS316L不锈钢基底表面进行溅射清洗，完成SS316L不锈钢基底的预处理。
S202：在SS316L不锈钢基底的表面溅射形成Cr金属层。
保持SS316L不锈钢基底置于磁控溅射设备中并固定，采用磁控溅射工艺并施加-50～200V脉冲直流偏压，开启Cr金属靶材，所述Cr金属靶材选用3英寸的平面靶材，溅射功率设置为150W，溅射时间为30min，以在SS316L不锈钢基底的表面溅射沉积一层0.2μm厚的Cr金属层作为基底接触层。
S203：在Cr金属层的表面溅射形成CrC层。
继续保持SS316L不锈钢基底在磁控溅射设备中的位置并固定，并保持Cr金属靶材的溅射参数，同时，启动碳靶材并施加相应的溅射功率，所述碳靶材同样选用3英寸的平面靶材，溅射30min后，在Cr金属层的表面形成一层CrC层。
S204：在CrC层的表面溅射形成Nb金属层。
继续保持SS316L不锈钢基底在磁控溅射设备中的位置并固定，关闭Cr靶材和碳靶材，启动Nb靶材，并施加相应的溅射功率，所述碳靶材同样选用3英寸的平面靶材，所述Nb金属靶材选用3英寸的平面靶材，溅射功率设置为150W，溅射时间为30min，以在CrC层的表面形成Nb金属层。
S205：在Nb金属层的表面溅射形成NbC层。
继续保持SS316L不锈钢基底在磁控溅射设备中的位置并固定，并保持Nb金属靶材的溅射参数，同时，启动碳靶材并施加相应的溅射功率，所述碳靶材同样选用3英寸的平面靶材，溅射30min后，在Nb金属层的表面形成一层NbC层。
S206：在NbC层的表面溅射形成C层。
保持SS316L不锈钢基底置于磁控溅射设备中并固定，将施加的脉冲直流偏压在高偏压600V和低偏压150V之间进行周期性更改，周期数设置为10，采用低偏压150V沉积的时间为1.8h，采用高偏压沉积的时间为0.2h，以在NbC层外沉积形成一C层，从而形成具有多层复合结构的含碳抗腐蚀涂层Cr-CrC-Nb-NbC-C。
在具体实现时，本实施例所制备得到的涂层优选适用于阳极金属双极板。
实施例3
如图6所示，为本实施例的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法的流程图。本实施例所制备的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的结构从内至外依次为Nb-NbC-Cr-CrC-C，其中，Nb为基底接触层，NbC-Cr-CrC为中间层(此时，M＝2，N＝1)，C为无定形碳层。本实施例的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法具体步骤如下：
S301：提供一SS316L不锈钢基底并对SS316L不锈钢基底进行预处理。
首先，提供一SS316L不锈钢基底。
然后，用1200目的碳化硅砂纸将SS316L不锈钢基底的表面打磨、抛光至镜面程度。
接着，将打磨、抛光后的SS316L不锈钢基底置于超声清洗设备中，调节超声清洗设备的功率至65KW，先后以异丙醇和蒸馏水作为清洗剂对SS316L不锈钢基底进行超声清洗30min后使用高压空气将残留在SS316L不锈钢基底上的水渍吹干。
最后，将超声清洗后的SS316L不锈钢基底置于磁控溅射设备中，并在真空环境下，以-600～700V的脉冲直流偏压并以氩等离子体对SS316L不锈钢基底表面进行溅射清洗，完成SS316L不锈钢基底的预处理。
S302：在SS316L不锈钢基底的表面溅射形成Nb金属层。
保持SS316L不锈钢基底置于磁控溅射设备中并固定，采用磁控溅射工艺并施加-50～200V脉冲直流偏压，开启Nb金属靶材，所述Nb金属靶材选用3英寸的平面靶材，溅射功率设置为150W，溅射时间为30min，以在SS316L不锈钢基底的表面溅射沉积一层0.2μm厚的Nb金属层作为基底接触层。
S303：在Nb金属层的表面溅射形成NbC层。
继续保持SS316L不锈钢基底在磁控溅射设备中的位置并固定，并保持Nb金属靶材的溅射参数，同时，启动碳靶材并施加相应的溅射功率，所述碳靶材同样选用3英寸的平面靶材，溅射30min后，在Nb金属层的表面形成一层NbC层。
S304：在NbC层的表面溅射形成Cr金属层。
继续保持SS316L不锈钢基底在磁控溅射设备中的位置并固定，关闭Nb靶材和碳靶材，启动Cr靶材，并施加相应的溅射功率，所述碳靶材同样选用3英寸的平面靶材，所述Cr金属靶材选用3英寸的平面靶材，溅射功率设置为150W，溅射时间为30min，以在NbC层的表面形成Cr金属层。
S305：在Cr金属层的表面溅射形成CrC层。
继续保持SS316L不锈钢基底在磁控溅射设备中的位置并固定，并保持Cr金属靶材的溅射参数，同时，启动碳靶材并施加相应的溅射功率，所述碳靶材同样选用3英寸的平面靶材，溅射30min后，在Cr金属层的表面形成一层CrC层。
S306：在CrC层的表面溅射形成C层。
保持SS316L不锈钢基底置于磁控溅射设备中并固定，将施加的脉冲直流偏压在高偏压600V和低偏压150V之间进行周期性更改，周期数设置为10，采用低偏压150V沉积的时间为1.8h，采用高偏压沉积的时间为0.2h，以在CrC层外沉积形成一C层，从而形成具有多层复合结构的含碳抗腐蚀涂层Nb-NbC-Cr-CrC-C。
在具体实现时，本实施例所制备得到的涂层优选适用于阴极金属双极板。
作为本发明的另一实施例，提供一种质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层，所述质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层基于上述实施例的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法沉积于燃料电池双极板的基底上，且所述质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层具有多层复合结构，其为由金属和碳元素混合制备得到的含碳抗腐蚀涂层，以实现燃料电池双极板的抗腐蚀性能。具体的，所述含碳抗腐蚀涂层包括从内至外依次层叠沉积于基底表面的基底接触层、中间层和无定形碳层；基底接触层作为连接基底与中间层的介质，采用单质金属或合金溅射而成，可有效增大中间层与基底之间的结合力，并改善基底接触层在溅射过程中产生的孔隙和裂纹，防止电解液与基底接触而腐蚀基底；中间层可以是单独的一层金属碳化物层，也可以是包括至少一层金属碳化物层和至少一层金属层交替层叠形成的多层结构的复合层，兼具抗腐蚀性能和电传导性能，能够进一步提高涂层的抗腐蚀性能；无定形碳层作为整个抗腐蚀涂层的最外层，包含大量的碳单质和少部分金属碳化物，更进一步提高了膜层的整体抗腐蚀性能，从而使得基于本实施例的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层实现的质子交换膜燃料电池的综合性能提高。
作为本发明的另一实施例，还提供一种双极板，所述双极板包括基底以及形成于基底之外的具有多层复合结构的含碳抗腐蚀涂层，所述含碳抗腐蚀涂层基于上述实施例中的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法实现，具体参见上述描述，此处不做赘述。
作为本发明的又一实施例，还提供一种质子交换膜燃料电池，所述燃料电池包含上述实施例的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法制备得到的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层(即含碳抗腐蚀涂层)或者包含形成有上述实施例中的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的双极板。当然，所述燃料电池还包括除双极板之外其他的必要部件(如电芯、电极等组件)，前述其他必要部件均可采用现有结构实现，在此不做赘述。如此，采用本实施例的质子交换膜燃料电池，使得在最终组装完成后，工作于高温的强酸环境下时，多层复合结构的抗腐蚀涂层能够有效阻挡电解液，防止涂层被腐蚀，从而提高质子交换膜燃料电池的综合性能。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一基底并对基底预处理；
在预处理的基底上沉积形成一具有多层复合结构的含碳抗腐蚀涂层。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，在所述在预处理的基底上沉积形成一具有多层复合结构的含碳抗腐蚀涂层的步骤中，形成含碳抗腐蚀涂层的具体方法为：
以金属和碳为靶材在预处理的基底表面溅射形成一中间层；
在中间层的表面溅射碳元素形成一无定型碳层。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，在所述以金属和碳为靶材在预处理的基底表面溅射形成一中间层的步骤中，所述中间层为金属碳化物层，形成中间层的具体方法为：
采用直流磁控溅射工艺并施加脉冲直流偏压，以金属和碳为靶材在所述基底表面共溅射金属碳化物形成所述中间层；且在溅射时，所述脉冲直流偏压为-50～200V，金属靶材和碳靶材均为2～5英寸的平面靶材，溅射功率均为100～200W，溅射时间为15～30min。
4.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，在所述以金属和碳为靶材在预处理的基底表面溅射形成一中间层的步骤中，所述中间层包括M层金属碳化物层和N层金属层，所述金属碳化物层和金属层间隔层叠于所述基底表面，其中，M和N均为自然数，且M-N＝1；
形成中间层的具体方法为：
采用直流磁控溅射工艺并施加脉冲直流偏压，以金属和碳为靶材在所述基底表面溅射金属碳化物形成一金属碳化物层；
以金属为靶材在所述金属碳化物表面溅射金属形成一金属层；
分别执行溅射金属碳化物层和金属层的方法，形成间隔层叠于所述基底表面的M层金属碳化物层和N层金属层。
5.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，在所述在中间层的表面溅射碳元素形成一无定型碳层的步骤中，形成无定形碳层的具体方法为：
采用直流磁控溅射工艺并周期性施加高低脉冲直流偏压，在所述中间层表面溅射形成所述无定形碳层。
6.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，在所述以金属和碳为靶材在预处理的基底表面溅射形成一中间层的步骤之前，还包括以下步骤：
以金属为靶材在预处理的基底表面溅射金属形成一基底接触层。
7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，在所述以金属为靶材在预处理的基底表面溅射金属形成一基底接触层的步骤中，形成金属层的具体方法为：
采用直流磁控溅射工艺并施加脉冲直流偏压，以金属为靶材在所述基底表面表面溅射金属形成粘附于基底表面的基底接触层；且在溅射时，所述脉冲直流偏压为-50～200V，金属靶材为2～5英寸的平面靶材，溅射功率为100～200W，溅射时间为15～30min。
8.一种质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层，形成于燃料电池双极板的基底上，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层为形成于基底上且具有多层复合结构的含碳抗腐蚀涂层，所述质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层采用如权利要求1～7任一项所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法制备得到。
9.一种双极板，包括基底，其特征在于，所述基底上形成有采用如权利要求1～7任一项所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法得到的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层或者形成有如权利要求8所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层。
10.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括形成有采用如权利要求1～7任一项所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层的制备方法得到的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层或者形成有如权利要求8所述的质子交换膜燃料电池抗腐蚀涂层或者包括如权利要求9所述的双极板。
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