CN116314904B - 一种氢燃料电池金属双极板、加工设备及制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池金属双极板、加工设备及制备工艺。包括表面带镀层的金属双极板，所述镀层由磁控溅射方式制备，金属双极板表面向外依次为Ti镀层、CrN镀层、无定形碳涂层（高sp3含量）及无定形碳涂层（高sp2含量），溅射之后将样品进行热处理，最终使其具有优异的耐腐蚀性质和导电性。本发明制备的涂层具有优异的耐腐蚀性能，接触电阻低，膜基结合力好。

Description

一种氢燃料电池金属双极板、加工设备及制备工艺

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是一种氢燃料电池金属双极板、加工设备及制备工艺。

背景技术

双极板是燃料电池的重要部分。通过双极板，将氢气与氧气隔离开来，同时还要保证电池的气密性，以杜绝氢气与氧气相互串通，引起燃烧甚至爆炸。通过双极板将电池的电流收集起来作用于负载，因此双极板必须有较好的致密性与导电性。

除了需要良好的致密性和导电性以外，电池内的电解质是酸性的，因此双极板处于酸性介质之中，长期处于这种环境中，双极板容易被腐蚀，因此，双极板必须拥有在酸性介质中耐腐蚀的特性。

现阶段，我国自主开发的氢燃料电池双极板以石墨双极板为主，由于石墨较为疏松，为保证双极板性质，石墨双极板厚度较厚、重量较重，所以在氢燃料电池减轻质量、提高效率上也存在相关技术困难。

金属材料有良好的韧性且具有良好的延展性以利于流道加工，同时导电性致密性良好。正是这种优点，金属基材料双极板是非常合适的双极板材料，同时方便加工，适合商业化生产。

不锈钢、铜、钛和镍等是世界上最常用的质子交换膜燃料电池的金属双极板，但在燃料电池的酸性环境中长期存在，金属的双极板难免会被腐蚀，使得长期环境下电池运行不稳定。

其次，金属板表面由于腐蚀会存在一系列的钝化层，这些钝化层并不是良好的电的导体，使得表面接触电阻大大增加，若要达到商用条件，防止金属板表面腐蚀，必须对金属板表面进行处理或修改，通过改性或处理，可以提高耐腐蚀性，使得其在电池内部环境中保持良好的耐蚀性。

金属双极板表面的涂层常见的有无定形碳涂层、贵金属涂层、Cr涂层、CrN涂层、TiN涂层等，各涂层均有其优点，但是也都存在一定缺点。

对于无定形碳涂层，主要由sp2合sp3键组成，其中sp2对涂层的导电性有好处，而sp3键主导对涂层的耐腐蚀性，所以无定形碳涂层是非常适合不锈钢双极板的涂层材料。

但在长期的腐蚀条件下，该涂层的耐腐蚀性效果将会变低，同时涂层的接触电阻会升高，不利于燃料电池的长期使用，对于无定形碳涂层，其过渡层对涂层的耐腐蚀性有重要影响，而接触电阻则主要由涂层的顶层决定。

基于此现象，申请人做进一步改进。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，本发明公开了一种无定形碳涂层的不锈钢双极板，通过sp3键合丰富的过渡层与sp2键合丰富的顶层，使得涂层具有高耐腐蚀性能。通过热处理，促进sp3键合的转变，及表面致密度的提高使得涂层的接触电阻升高。最终，使得制备的燃料电池双极板在长期的腐蚀条件下，依然具有优异的耐腐蚀性能，同时，腐蚀过后涂层的接触电阻保持较低状态。

进一步的，本申请还公开了相关金属双极板的加工设备及制备工艺。

为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种氢燃料电池金属双极板，包括表面带镀层的金属双极板，所述镀层由金属双极板表面向外依次为Ti镀层、CrN镀层及无定形碳涂层（高sp3含量）及无定形碳涂层（高sp2含量）。

本发明先在金属双极板表面加工Ti镀层，Ti镀层的作用首先是具有优异的导电性，接触电阻低，由于基材是金属，首先加工Ti镀层与基材的膜基结合力更强，纯金属镀层致密均匀，耐腐蚀性能强，作为最后一道防护。

CrN镀层为过渡层，由金属和非金属组成，一方面能与Cr层牢固结合，膜基结合力强，另一方面能与无定形碳层牢固结合，提高顶层镀层的膜基结合力。从成本和长久稳定耐腐蚀和膜基结合力的角度出发，本发明设置了CrN过渡层，CrN镀接触电阻低，虽然其耐腐蚀性稍弱，但综合考虑CrN作为过渡层使用，兼顾导电、耐腐蚀及提高膜基结合力。

在CrN镀层之上，制备sp3含量高的无定形碳涂层。因为sp3含量较高的无定形碳涂层具有优异的耐腐蚀性，可以提高涂层整体的耐蚀性。之后镀一层Cr掺杂的无定形碳涂层（高sp2含量）。根据研究，对于涂层的耐腐蚀性，取决于整个涂层的结构，而接触电阻则主要以顶层结构组成。因此，设计两层无定形碳涂层，使得涂层的接触电阻合耐腐蚀性进一步提高。

在涂层制备完毕以后，将制备的样品进行真空热处理。这一步骤的目的是促进sp3含量较高的无定形碳涂层向sp2结构转变，同时提高涂层的致密性。这样进一步提高涂层的接触电阻性并提高涂层耐腐蚀性。

最终形成内外导电和耐腐蚀及提高膜基结合力强的综合镀层，实现了优异性能。

所述金属双极板的材料为不锈钢或钛合金，对于不锈钢材质的选择，具体可选用为316L不锈钢。

一种氢燃料电池金属双极板的制备工艺，包括以下步骤：

S1、对金属双极板表面进行预处理以获得清洁的金属双极板表面；

S2、把经过预处理的金属双极板放入磁控溅射器的真空腔内，抽真空；

S3、离子溅射清洗；

S4、开启Ti靶，进行Ti镀层溅射；

S5、关闭Ti靶，开启氮气和Cr靶，进行CrN镀层溅射；

S6、关闭Cr靶，开启C靶，进行高sp3键合含量的无定形碳涂层；

S7、开启Cr靶，调节磁控溅射设备参数，进行高sp2键合含量的无定形碳涂层；

S8、对所制备的涂层进行真空热处理。

上述技术方案中，优选的：

步骤S1中，预处理为：先用砂纸对金属双极板表面打磨，然后抛光机抛光，蒸馏水冲洗，接着分别浸入乙醇和丙酮溶液中超声清洗，烘干；

步骤S2中，抽真空为将真空腔体内压力抽至2×10^-5Torr为止；

步骤S3，离子溅射清洗采用氩离子溅射清洗20-30min；

步骤S4中，Ti镀层溅射的参数为：Ti靶电流大小4-8A，基体偏压-80V，沉积时间15-20min；

步骤S5中，制备CrN镀层参数为：保持Cr靶电流不变，氮气流量使用OEM控制，80%-60%；基体偏压-80--180V；沉积时间15-30min；

步骤S6中，关闭Cr靶电流，开启C靶，电流为4-6A，基体偏压-120V--180V，沉积时间30-90min；

步骤S7中，开启Cr靶，电流为0.5-2A，调整C靶，电流为4-6A，基体偏压-60V--120V，沉积时间30-90min；

步骤S8中，真空热处理工艺为400-850℃，保温时间30-180min，随炉冷却。

一种氢燃料电池金属双极板的加工设备，包括回转激光焊接枪、升降工作台和夹紧装置，升降工作台包括固定平台、升降缸和移动架，升降缸设置在固定平台上，移动架设置在升降缸的伸缩杆上，夹紧装置设置在移动架上，升降缸上升带动夹紧装置上升进入至回转激光焊接枪工作范围，而夹紧装置用于装夹未焊接金属双极板，回转激光焊接枪沿工作轨迹将金属双极板焊接完成,夹紧装置包括上夹板和下夹板，上夹板内设置有第一磁极板，下夹板内弹性滑动设置有第二磁极板，两块磁极板上均匀依次分布有N、S磁极，第一磁极板与第二磁极板上下异性磁极对齐，上夹板受吸力下降，下夹板下端面上开设有滑动槽，且第二磁极板上导向凸块，且导向凸块弹性滑动设置在滑动槽内，导向凸块下端设置有第一斜面，固定平台上还设置有顶触块，升降缸缩回带动夹紧装置一起下降，第一斜面顶触在顶触块上，使导向凸块沿滑动槽滑动，第二磁极板与第一磁极板上的同性磁极对齐与错位，上夹板受斥力抬升。

其有益效果在于，通过磁吸力将金属双极板压紧，同时在复位的是时候通过移动第二磁极板使吸力变成斥力，便于工件的取放，减少人工操作，提升工作效率。

上述技术方案中，优选的，所述升降工作台还包括上锁定轴和下锁定轴，移动架上单向转动设置有传动轴，转动轴上垂直设置有导向轴，且导向轴上设置有滑动套，上锁定轴和下锁定轴上均开设有导向滑槽，上锁定轴通过导向滑槽弹性滑动设置在滑动套上，下锁定轴通过导向滑槽弹性滑动设置在导向轴上，上夹板和下夹板侧面均开设有滑动孔，上锁定轴前端滑动设置在上夹板的滑动孔内，下锁定轴前端滑动设置在下夹板的滑动孔内，所述转动轴上单向转动设置有第一齿轮，固定平台上设置有齿条，且齿条齿数是第一齿轮的一半，在移动架下降的过程中，第一齿轮与齿条啮合，带动转动轴转动180度，上升时转动轴保持不动。

上述技术方案中，优选的，所述移动架上弹性滑动设置有锁定销，转动轴上开设有贯穿锁定孔，且贯穿锁定孔轴线与导向轴平行，锁定销弹性顶触在贯穿锁定孔上，在导向轴受到扭转力时，锁定销能向下滑动脱离对贯穿锁定孔的锁定，使导向轴转动。

上述技术方案中，优选的，所述上锁定轴和下锁定轴上还设置有顶触斜块，且顶触斜块前端超过上锁定轴和下锁定轴的前端面，回转激光焊接枪在进行焊接时，壳体能顶触在顶触斜块上，使上锁定轴或下锁定轴向后滑动。

上述技术方案中，优选的：所述移动架左右对称设置有转动轴、上锁定轴和下锁定轴，左右将上夹板和下夹板锁定。

本发明的有益效果是：使金属双极板焊接变得更加自动化，提升加工效率，同时能实现全回路焊接，提升焊接质量。

本发明具有优异的导电性能和耐腐蚀性能，接触电阻低，膜基结合力好，导热性能好。

附图说明

图1是本发明镀层的一种表面形貌示意图（10000×）。

图2是本发明镀层的动电位极化曲线图。

图3是本发明镀层的接触电阻图。

图4为本发明测试图。

图5为本发明加工设备示意图。

图6为本发明加工设备纵向剖视图。

图7为本发明加工设备横向剖视图。

图8为本发明加工设备焊接启动时状态图。

图9为本发明加工设备焊接进行时状态图。

图10为本发明转动轴局部放大图，即说明书附图7中A所表示位置的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例一：

参见图1-图4，一种氢燃料电池金属双极板的制备工艺，包括以下步骤：

S1、对金属双极板表面进行预处理以获得清洁的金属双极板表面，预处理为：先用砂纸对金属双极板表面打磨，然后抛光机抛光，蒸馏水冲洗，接着分别浸入乙醇和丙酮溶液中超声清洗，烘干；

S2、把经过预处理的金属双极板放入磁控溅射器的真空腔内，抽真空，将真空腔体内压力抽至2×10^-5Torr为止；

S3、对金属双极板采用氩离子溅射清洗20-30min；

S4、开启Ti靶，进行Ti镀层溅射，Ti镀层溅射的参数为：Ti靶电流大小4-8A，基体偏压-80V，沉积时间15-20min；

S5、关闭Ti靶，开启氮气和Cr靶，进行CrN镀层溅射，CrN镀层预溅射的参数为：保持Cr靶电流不变，电流为5A， OEM值80%-60%，基体偏压-80--180V，沉积时间15-30min；

S6、关闭Cr靶，开启C靶，进行高sp3键合含量的无定形碳涂层，电流为4-6A，基体偏压-120V--180V，沉积时间30-90min；

S7、开启Cr靶电流为0.5-2A，调整碳靶电流与参数，电流为4-6A，基体偏压-60V--120V，沉积时间30-90min，进行高sp2键合含量的无定形碳涂层；

S8、将样品放入真空热处理炉，对所制备的涂层进行真空热处理，真空热处理工艺温度为400-850℃，保温时间30-180min，随炉冷却。

产品性能测试，以单独的316L不锈钢、316L-Ti-CrN-Cr掺杂无定形碳涂层（无高sp3键）、316L-Ti-CrN-无定形碳涂层（高sp3键）-Cr掺杂无定形碳涂层、热处理后为对照。

1.耐蚀性能研究

经过模拟阴极环境测出的tafel曲线，我们得出以下动电位腐蚀电流密度：

不锈钢腐蚀电流密度为3.2×10^-5 A/cm²，C316L-Ti-CrN-Cr掺杂无定形碳涂层（无高sp3键）镀层腐蚀电流密度为3.6×10^-7A/cm²，316L-Ti-CrN-无定形碳涂层（高sp3键）-Cr掺杂无定形碳涂层0.97×10^-7A/cm²，热处理后0.68×10^-7A/cm²。

可见，当增加一层无定形碳过渡层且热处理后涂层耐腐蚀性质提升。

2.接触电阻分析

目前，氢燃料电池电堆的组装力通常在1.4 MPa 左右，未镀层的316L不锈钢接触电阻为242mΩ·cm²，316L-Ti-CrN-Cr掺杂无定形碳涂层（无高sp3键）接触电阻为4.8mΩ·cm²、316L-Ti-CrN-无定形碳涂层（高sp3键）-Cr掺杂无定形碳涂层接触电阻为6.2mΩ·cm²、热处理后接触电阻为2.9mΩ·cm²为对照。

实施例二：

参见图1-图4所示，一种氢燃料电池金属双极板，包括表面带镀层的金属双极板，金属双极板的材料为316L不锈钢，金属双极板规格20mm×20mm×8mm，所述镀层由金属双极板表面向外依次为Ti镀层、CrN镀层、无定形碳（高sp3键）镀层和铬掺杂的无定形碳（高sp2键）。

制备方法包括如下步骤：

（1）对金属双极板表面进行预处理以获得清洁的金属双极板表面；所述预处理为：先用砂纸对金属双极板表面打磨，然后抛光机抛光，蒸馏水冲洗，接着分别浸入乙醇和丙酮溶液中超声清洗30min，烘干；

（2）把经过预处理的金属双极板放入磁控溅射器的真空腔内，将真空腔体内压力抽至2×10^-5Torr为止；

（3）对金属双极板采用氩离子溅射清洗20min；

（4）开启Ti靶，进行Ti镀层溅射，Ti镀层溅射的参数为：Ti靶电流大小5A，基体偏压-80V，沉积时间20min；

（5）开启氮气和Cr靶，进行CrN镀层溅射，CrN镀层预溅射的参数为：Cr靶电流5A，OEM值70%，基体偏压-180V，沉积时间20min；

（6）关闭Cr靶电流，开启C靶，电流为6A，基体偏压-160V，沉积时间60min；

（7）开启Cr靶电流为1A，调整碳靶电流与参数，电流为4A，基体偏压-60V，沉积时间60min；

（7）关闭Cr、C靶和氮气，开放气阀，取出产品；

（8）将样品放入真空热处理炉，进行热处理，真空热处理工艺温度为730℃，保温时间120min，随炉冷却。

实施例三：

参见图1-图4所示，一种氢燃料电池金属双极板，包括表面带镀层的金属双极板，所述金属双极板的材料为钛合金，金属双极板规格20mm×20mm×8mm，所述镀层由金属双极板表面向外依次为Ti镀层、CrN镀层、无定形碳（高sp3键）镀层和铬掺杂的无定形碳（高sp2键）。

制备方法包括如下步骤：

（1）对金属双极板表面进行预处理以获得清洁的金属双极板表面；所述预处理为：先用砂纸对金属双极板表面打磨，然后抛光机抛光，蒸馏水冲洗，接着分别浸入乙醇和丙酮溶液中超声清洗30min，烘干；

（2）把经过预处理的金属双极板放入磁控溅射器的真空腔内，将真空腔体内压力抽至2×10^-5Torr为止；

（3）对金属双极板采用氩离子溅射清洗20min；

（4）开启Ti靶，进行Ti镀层溅射，Ti镀层溅射的参数为：Ti靶电流大小5A，基体偏压-80V，沉积时间20min；

（5）开启氮气和Cr靶，进行CrN镀层溅射，CrN镀层预溅射的参数为：Cr靶电流5A，OEM值70%，基体偏压-180V，沉积时间20min；

（6）关闭Cr靶电流，开启C靶，电流为6A，基体偏压-150V，沉积时间60min；

（7）开启Cr靶电流为0.5A，调整碳靶电流与参数，电流为4A，基体偏压-60V，沉积时间60min；

（7）关闭Cr、C靶和氮气，开放气阀，取出产品；

（8）将样品放入真空热处理炉，进行热处理，真空热处理工艺温度为730℃，保温时间180min，随炉冷却。

实施例四：

参见图5-图10所示，一种氢燃料电池金属双极板的加工设备，包括回转激光焊接枪1、升降工作台2和夹紧装置3，回转激光焊接枪1设置在机械臂上，机械臂能带动回转激光焊接枪1根据编程路径进行移动焊接，所述升降工作台2包括固定平台21、升降缸22和移动架23，升降缸22设置在固定平台21上，移动架23底面设置在升降缸22的伸缩杆上，且所述升降缸22设置有2个，且为电动控制，升降缸22伸出能带动移动架23向上移动，升降缸22缩回时能带动移动架23向下移动，移动架23上单向转动设置有转动轴26，转动轴26后端单向转动设置有第一齿轮263，另一端垂直设置有导向轴261，固定平台21上设置有齿条212，且所述齿条212的齿数是第一齿轮263的一半。

其中在升降缸22伸出的时候，带动移动架23向上移动，在移动的过程中第一齿轮263与齿条212啮合，从而第一齿轮263发生逆时针转动，转动轴26为单向转动设置在移动架23上，因此此时转动轴26不发生转动，第一齿轮263与转动轴26发生相对转动，同时由于齿条212是第一齿轮263齿数的一半，因此在完全进过后，第一齿轮263转动的角度是180度，而在升降缸22缩回时，带动移动架23向下移动，第一齿轮263再度与齿条212啮合，此时第一齿轮263发生顺时针转动，从而带动转动轴26一起转动，而转动的角度也是180度，因此在每次升降缸22下降的时候均能使转动轴26发生180度的转动。

所述移动架23上开设有滑动腔，且滑动腔上端开口位于转动轴26的转动孔内，滑动腔内滑动设置有锁定销231，且锁定销231下端顶触有第二弹性件232的一端，另一端顶触在滑动腔的底面上，所述转动轴26开设有贯穿锁定孔264。

其中在初始状态时，锁定销231顶触在贯穿锁定孔264的一端孔洞上，从而将转动轴26弹性锁定，在移动架23下降，第一齿轮263顺时针转动，带动转动轴26一起转动180度后，在转动的过程中，锁定销231向下滑动，压缩第二弹性件232，在转动完成后，锁定销231顶触在贯穿锁定孔264的另一端的孔洞上，从而再次将转动轴锁定。

所述夹紧装置3包括上夹板31和下夹板32，未焊接金属双极板放置在上夹板31和下夹板32之间，上夹板31内设置有第一磁极板33，下夹板32内滑动设置有第二磁极板34，第二磁极板34下端面上设置有导向凸块341，下夹板32下端面上开设有滑动槽321，导向凸块341导向滑动设置在滑动槽321内，且所述导向凸块341滑动带动第二磁极板34一起移动，导向凸块341后端顶触设置有第三弹性件的一端，另一端顶触在滑动槽321的后端，导向凸块341下端设置有第一斜面342，固定平台21上还设置有顶触块211，且所述第一磁极板33和第二磁极板34上均匀分布有N、S磁极。

其中所述第一磁极板33与第二磁极板34的大小大一致，在上下对齐的时候第一磁极板33上的N极区域与第二磁极板34上的S极区域对齐，从而在第一磁极板33与第二磁极板34对齐时，第一磁极板33与第二磁极板34相互吸附，而在初始状态时，即升降缸22缩回时，此时第一斜面342顶触顶触块211上，使导向凸块341带动第二磁极板34向外端移出，此时第二磁极板34与第一磁极板33错位，同时此时第二磁极板34上的N极区域与第一磁极板33上的N极区域对齐，第二磁极板34上的S极区域与第一磁极板33上的S极区域对齐，从而第二磁极板34与第一磁极板33相斥，从而在初始状态时，上夹板31在斥力的作用下向上抬起，与上夹板31分离，此时可以将未焊接金属双极板放置在上夹板31和下夹板32之间，在放置好后，升降缸22伸出，此时导向凸块341在第三弹性件的作用下顶触在滑动槽321的前端，此时第二磁极板34与第一磁极板33对齐，从而上夹板31在吸力的作用下压紧未焊接金属双极板。

所述升降工作台2还包括上锁定轴24和下锁定轴25， 上锁定轴24和下锁定轴25上均开设有导向滑槽241，上夹板31侧面开设有与上锁定轴24适配的滑动孔312，下夹板32侧面也开设有与下锁定轴25适配的滑动孔312，上锁定轴24前端滑动设置在滑动孔312内，后端通过导向滑槽241滑动设置在滑动套262上，且导向滑槽241内还设置有第一弹性件2411，其两端分别顶触在滑动套262上和导向滑槽241前端，其中滑动套262还能再导向轴261上下滑动，所述下锁定轴25前端导向滑动设置在下夹板32的滑动孔312内，后端通过导向滑槽241滑动设置在导向轴261上，且导向滑槽241内还设置有第一弹性件2411，其两端分别顶触在导向轴261上和导向滑槽241前端，所述下锁定轴25只能发生前后滑动，不能进行上下滑动，所述上锁定轴24和下锁定轴25上还设置有顶触斜块242，且顶触斜块242前端超过上锁定轴24和下锁定轴25的前端面，且所述移动架左右对称设置有转动轴26、上锁定轴24和下锁定轴25，同时上夹板31和下夹板32两侧均开设有滑动孔312，从而使得上锁定轴24和下锁定轴25左右将上夹板31和下夹板32锁定。

其中在上夹板31和下夹板32将未焊接金属双极板夹紧后，升降缸22带动上夹板31和下夹板32一起向上抬升至回转激光焊接枪1的工作区域，在到位后，回转激光焊接枪1开始工作，机械手根据编程轨迹对未焊接金属双极板进行焊接，在焊接的过程中，回转激光焊接枪1上的外管套顶触在顶触斜块242的斜面上，从而使上锁定轴24向一侧滑动压缩第一弹性件2411，而在滑动的过程中，上锁定轴24前端退出上夹板31的滑动孔312，同时由于顶触斜块242前端超过上锁定轴24和下锁定轴25的前端面，因此在回转激光焊接枪1经过顶触斜块242最前端时，上锁定轴24前端完全退出焊接路径，从而使回转激光焊接枪1可以连续对未焊接金属双极板进行焊接，在回转激光焊接枪1经过后，上锁定轴24在第一弹性件2411的作用下重新进入至滑动孔312内，从而重新锁定。

在金属双极板上端面焊接完成后，回转激光焊接枪1停止工作，退至一侧，此时升降缸22开始缩回，从而使得移动架23下降，在下降一定距离后，第一齿轮263与齿条212啮合，带动转动轴26转动180度后重新锁定，从而使得上夹板31和下夹板32的位置发生翻转，此时上夹板31在下端，因此在升降缸22缩至最底点时，顶触块211不与导向凸块341发生触碰，因此金属双极板始终处于压紧状态，在达到最底端后升降缸22再次伸出，将上夹板31和下夹板32一起向上抬升至回转激光焊接枪1的工作区域，此时回转激光焊接枪1再次开始工作，对金属双极板另一面进行焊接，在焊接的过程中同样碰触到顶触斜块242，使下锁定轴25向一侧滑动，使其前端离开焊接路径，焊接经过后重新伸出锁定。

在金属双极两面均完成焊接后，升降缸22再次缩回，在缩回的过程中，上夹板31和下夹板32再次发生翻转，使下夹板32重新位于下端，此时在下降到最底点时，第二磁极板34上的第一斜面342顶触顶触块211上，使导向凸块341带动第二磁极板34向外端移出，第二磁极板34与第一磁极板33错位，同第二磁极板34上的N极区域与第一磁极板33上的N极区域对齐，第二磁极板34上的S极区域与第一磁极板33上的S极区域对齐，从而第二磁极板34与第一磁极板33相斥，将上夹板31向上推升，此时可以轻松的将焊接好的金属双极板取出，同时将未焊接的金属双极板再次放入，进行焊接作业。

其工作原理或使用方法如下：

初始状态时，升降缸22处于收缩状态，下夹板32上的第二磁极板34上的导向凸块341顶触在顶触块211上，从而使得第二磁极板34与第一磁极板33错位，两块磁极板上的磁极同极对齐，是上夹板31受斥力抬升，此时将未焊接金属双极板放置在下夹板32上，升降缸22伸出，此时导向凸块341在第三弹性件的作用下复位，第二磁极板34与第一磁极板33对齐，从而上夹板31在吸力的作用下压紧未焊接金属双极板。

在上夹板31和下夹板32将未焊接金属双极板夹紧后，升降缸22带动上夹板31和下夹板32一起向上抬升至回转激光焊接枪1的工作区域，在到位后，回转激光焊接枪1开始工作，机械手根据编程轨迹对未焊接金属双极板进行焊接，在焊接的过程中，回转激光焊接枪1上的外管套顶触在顶触斜块242的斜面上，从而使上锁定轴24向一侧滑动压缩第一弹性件2411，而在滑动的过程中，上锁定轴24前端退出上夹板31的滑动孔312，同时由于顶触斜块242前端超过上锁定轴24和下锁定轴25的前端面，因此在回转激光焊接枪1经过顶触斜块242最前端时，上锁定轴24前端完全退出焊接路径，从而使回转激光焊接枪1可以连续对未焊接金属双极板进行焊接，在回转激光焊接枪1经过后，上锁定轴24在第一弹性件2411的作用下重新进入至滑动孔312内，从而重新锁定。

在金属双极板上端面焊接完成后，回转激光焊接枪1停止工作，退至一侧，此时升降缸22开始缩回，从而使得移动架23下降，在下降一定距离后，第一齿轮263与齿条212啮合，带动转动轴26转动180度后重新锁定，从而使得上夹板31和下夹板32的位置发生翻转，此时上夹板31在下端，因此在升降缸22缩至最底点时，顶触块211不与导向凸块341发生触碰，因此金属双极板始终处于压紧状态，在达到最底端后升降缸22再次伸出，将上夹板31和下夹板32一起向上抬升至回转激光焊接枪1的工作区域，此时回转激光焊接枪1再次开始工作，对金属双极板另一面进行焊接，在焊接的过程中同样碰触到顶触斜块242，使下锁定轴25向一侧滑动，使其前端离开焊接路径，焊接经过后重新伸出锁定。

在金属双极两面均完成焊接后，升降缸22再次缩回，在缩回的过程中，上夹板31和下夹板32再次发生翻转，使下夹板32重新位于下端，此时在下降到最底点时，第二磁极板34上的第一斜面342顶触顶触块211上，使导向凸块341带动第二磁极板34向外端移出，第二磁极板34与第一磁极板33错位，同第二磁极板34上的N极区域与第一磁极板33上的N极区域对齐，第二磁极板34上的S极区域与第一磁极板33上的S极区域对齐，从而第二磁极板34与第一磁极板33相斥，将上夹板31向上推升，此时可以轻松的将焊接好的金属双极板取出，同时将未焊接的金属双极板再次放入，进行焊接作业。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池金属双极板的加工设备，其特征在于：包括回转激光焊接枪（1）、升降工作台（2）和夹紧装置（3），升降工作台（2）包括固定平台（21）、升降缸（22）和移动架（23），升降缸（22）设置在固定平台（21）上，移动架（23）设置在升降缸（22）的伸缩杆上，夹紧装置（3）设置在移动架（23）上，升降缸（22）上升带动夹紧装置（3）上升进入至回转激光焊接枪（1）工作范围，而夹紧装置（3）用于装夹未焊接金属双极板，回转激光焊接枪（1）沿工作轨迹将金属双极板焊接完成；

夹紧装置（3）包括上夹板（31）和下夹板（32），上夹板（31）内设置有第一磁极板（33），下夹板（32）内弹性滑动设置有第二磁极板（34），两块磁极板上均匀依次分布有N、S磁极，第一磁极板（33）与第二磁极板（34）上下异性磁极对齐，上夹板（31）受吸力下降，下夹板（32）下端面上开设有滑动槽（321），且第二磁极板（34）上设置有导向凸块（341），且导向凸块（341）弹性滑动设置在滑动槽（321）内，导向凸块（341）下端设置有第一斜面（342），固定平台（21）上还设置有顶触块（211），升降缸（22）缩回带动夹紧装置（3）一起下降，第一斜面（342）顶触在顶触块（211）上，使导向凸块（341）沿滑动槽（321）滑动，第二磁极板（34）与第一磁极板（33）上的同性磁极对齐，上夹板（31）受斥力抬升。

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池金属双极板的加工设备，其特征在于：所述升降工作台（2）还包括上锁定轴（24）和下锁定轴（25），移动架（23）上单向转动设置有转动轴（26），转动轴（26）上垂直设置有导向轴（261），且导向轴（261）上设置有滑动套（262），上锁定轴（24）和下锁定轴（25）上均开设有导向滑槽（241），上锁定轴（24）通过导向滑槽（241）弹性滑动设置在滑动套（262）上，下锁定轴（25）通过导向滑槽（241）弹性滑动设置在导向轴（261）上，上夹板（31）和下夹板（32）侧面均开设有滑动孔（312），上锁定轴（24）前端滑动设置在上夹板（31）的滑动孔（312）内，下锁定轴（25）前端滑动设置在下夹板（32）的滑动孔（312）内，所述转动轴（26）上单向转动设置有第一齿轮（263），固定平台（21）上设置有齿条（212），且齿条（212）齿数是第一齿轮（263）的一半，在移动架（23）下降的过程中，第一齿轮（263）与齿条（212）啮合，带动转动轴（26）转动180度，上升时转动轴（26）保持不动。

3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池金属双极板的加工设备，其特征在于：所述移动架（23）上弹性滑动设置有锁定销（231），转动轴（26）上开设有贯穿锁定孔（264），且贯穿锁定孔（264）轴线与导向轴（261）平行，锁定销（231）弹性顶触在贯穿锁定孔（264）上，在导向轴（261）受到扭转力时，锁定销（231）能向下滑动脱离对贯穿锁定孔（264）的锁定，使导向轴（261）转动。

4.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池金属双极板的加工设备，其特征在于：所述上锁定轴（24）和下锁定轴（25）上还设置有顶触斜块（242），且顶触斜块（242）前端超过上锁定轴（24）和下锁定轴（25）的前端面，回转激光焊接枪（1）在进行焊接时，壳体能顶触在顶触斜块（242）上，使上锁定轴（24）或下锁定轴（25）向后滑动。

5.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池金属双极板的加工设备，其特征在于： 所述移动架（23）左右对称设置有转动轴（26）、上锁定轴（24）和下锁定轴（25），左右将上夹板（31）和下夹板（32）锁定。

6.使用如权利要求1-5任一项所述的加工设备制造的一种氢燃料电池金属双极板，包括金属双极板，其特征在于：所述金属双极板表面包括有镀层，所述镀层包括由所述金属双极板表面向外依次设置的Ti镀层、CrN镀层、第一无定形碳涂层及第二无定形碳涂层。

7.根据权利要求6所述的一种氢燃料电池金属双极板，其特征在于：所述金属双极板的材质为不锈钢或钛合金。

8.根据权利要求7所述的一种氢燃料电池金属双极板的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：

S1、对金属双极板表面进行预处理以获得清洁的金属双极板表面；

步骤S1中，预处理为：先用砂纸对金属双极板表面打磨，然后抛光机抛光，蒸馏水冲洗，接着分别浸入乙醇和丙酮溶液中超声清洗，烘干；

S2、把经过预处理的金属双极板放入磁控溅射器的真空腔内，抽真空；

步骤S2中，抽真空为将真空腔体内压力抽至2×10^-5Torr为止；

S3、离子溅射清洗；

步骤S3，离子溅射清洗采用氩离子溅射清洗20-30min；

S4、开启Ti靶，进行Ti镀层溅射；

步骤S4中，Ti镀层溅射的参数为：Ti靶电流大小4-8A，基体偏压-80V，沉积时间15-20min；

S5、关闭Ti靶，开启氮气和Cr靶，进行CrN镀层溅射；

步骤S5中，制备CrN镀层参数为：保持Cr靶电流不变，氮气流量使用OEM控制，80%-60%；基体偏压-80--180V；沉积时间15-30min；

S6、关闭Cr靶，开启C靶；

步骤S6中，关闭Cr靶电流，开启C靶，电流为4-6A，基体偏压-120V--180V，沉积时间30-90min；

S7、开启Cr靶，调节磁控溅射设备参数；

步骤S7中，开启Cr靶，电流为0.5-2A，调整C靶，电流为4-6A，基体偏压-60V--120V，沉积时间30-90min；

S8、对所制备的涂层进行真空热处理；

步骤S8中，真空热处理工艺为400-850℃，保温时间30-180min，随炉冷却。