一种燃料电池双极板及其制备方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池双极板及其制备方法。


背景技术：

2.燃料电池双极板是燃料电池中的主要结构，燃料电池双极板的作用是分隔阴极、阳极反应气体，防止其相互混合；输送反应气体并使之均匀分配；传导反应热量；去除水副产物；承受组装预紧力等等。
3.燃料电池双极板主要分为三种类型，分别是石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板。其中的金属双极板以导热性和导电性高、机械性能优越、制造容易成本低、结构耐久性好、抗冲击和振动性好等优点使用较多。但是金属双极板也存在一定的缺点：金属双极板在燃料电池中恶劣的工作环境中容易发生腐蚀，从而使得双极板的导电性能下降，同时金属双极板被腐蚀后还会造成质子交换膜和催化剂中毒，形成钝化膜，影响了燃料电池的性能。
4.钛和钛合金具有低密度、高强度、在酸性环境中表现出优异的耐腐蚀性能等优点，在质子交换膜燃料电池金属双极板中具有很高的研究和使用价值。为了进一步提高钛金属双极板的耐腐蚀能力，会在钛金属双极板的表面上电镀上一层金层。
5.但是通过电镀的方式在钛金属双极板的表面上镀上一层金层，金层和钛金属双极板之间的结合力较小，由于燃料电池中的工作环境比较恶劣，燃料电池双极板使用一段时间后，金层容易从钛金属双极板上脱落，从而无法继续对钛金属双极板进行保护。


技术实现要素：

6.本发明意在提供一种燃料电池双极板及其制备方法，以提高金层和钛金属双极板之间的结合牢固程度，解决金层容易从钛金属双极板上脱落的问题。
7.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种燃料电池双极板，包括钛基板，钛基板的表面上设有多个石墨烯孔，石墨烯孔上设有石墨烯层，钛基板的表面上设有金层，金层覆盖在石墨烯层之上，石墨烯层上连接有向金层和钛基板中扩散的石墨烯扩散部。
8.本方案的原理及优点是：在钛基板的表面上设置金层，金层对钛基板进行保护，能够提高钛金属双极板的耐腐蚀能力。同时，石墨烯层位于钛基板和金层之间，石墨烯层中的石墨烯扩散部向钛基板中的微孔和金层中的微孔进行扩散，石墨烯扩散部扩散到微孔中，石墨烯扩散部和微孔相互作用，从而使得石墨烯层均和金层、钛基板之间紧密连接，石墨烯层和金层之间、石墨烯层和钛基板之间均具有较强的结合力，同时再利用石墨烯具有高机械强度的性能，石墨烯层不易发生损坏破裂，这样金层和钛基板在石墨烯层的牵制作用下而紧密的结合在一起，石墨烯层起到了将金层和钛基板连接在一起的作用，金层不易从钛基板上发生脱落。
9.石墨烯孔用于容纳石墨烯层，石墨烯孔将石墨烯层包围起来，从而能够对石墨烯层进行保护，石墨烯孔内壁的四周也能够与石墨烯层接触，提高了石墨烯层与钛基板的接
触面积，这样石墨烯层不易从钛基板上脱落，进一步提高了石墨烯层和钛基板的结合力，从而使得石墨烯层能够更好的发挥将金层和钛基板连接在一起的作用。
10.另外，在钛基板上加工石墨烯孔的另一个目的是：通过在钛基板的表面上加工石墨烯孔，能够对钛基板加工石墨烯孔的部位进行微破坏（破坏程度不大），从而更有利于石墨烯扩散部扩散到钛基板中。
11.本方案中没有在钛基板的表面上全部设置石墨烯层，只是局部设置石墨烯层，是基于以下考虑：钛基板的表面上部分设置石墨烯层，一部分没有设置石墨烯层，相比设置整个石墨烯层的平面，钛基板的表面同时具有石墨烯孔、石墨烯层和金层，这样钛基板表面不是绝对的平面，金层、石墨烯孔、石墨烯层和钛基板的表面相互交错牵制，有利于提高金层的溅射后的结合力。另外，局部设置石墨烯层，只需要在钛基板的局部部位设置石墨烯孔，无需整个表面设置石墨烯孔，避免了钛基板的整个表面设置石墨烯孔而产生的微破坏面积变大而造成的钛基板表面的损坏程度变大，从而避免了钛基板耐腐蚀能力下降。
12.优选的，作为一种改进，石墨烯孔的深度为0.005mm-0.01mm，石墨烯孔的直径为0.5-5cm。
13.为达到上述目的，本发明还采用如下技术方案：一种燃料电池双极板的制备方法，包括以下步骤：步骤1，石墨烯孔加工：在钛基板的表面上加工出多个石墨烯孔，石墨烯孔的深度为0.005mm-0.01mm，石墨烯孔的直径为0.5-5cm；步骤2，制备石墨烯层：采用磁控溅射的方式，在钛基板的石墨烯孔处生长出石墨烯层；磁控溅射时真空室内石墨靶材料筒的温度为650～850℃；步骤3，制备金层：采用磁控溅射的方式，在钛基板的表面处生长出金层，金层覆盖在石墨烯层之上；磁控溅射时真空室内金属靶材料筒的温度为200～600℃步骤4，降温冷却：将加工好的钛金属双极板自然冷却至常温。
14.通过本方案，步骤1中，是对钛基板上石墨烯孔进行加工。通过步骤2和步骤3中的磁控溅射的方式，可分别在石墨烯孔中加工出石墨烯层和在钛基板表面上加工出金层。通过本方案加工出来的燃料电池双极板，石墨烯层位于钛基板和金层之间，从而对钛基板和金层进行牵制，提高金层和钛基板的结合力。
15.本方案中在磁控溅射时，真空室内的温度较高，c粒子运动比较剧烈，c粒子向金层的微孔和钛基板的微孔中进行扩散，从而形成石墨烯扩散部，石墨烯扩散部扩散到微孔中，石墨烯扩散部和微孔相互作用，从而使得石墨烯层均和金层、钛基板之间紧密连接，石墨烯层和金层之间、石墨烯层和钛基板之间均具有较强的结合力。
16.步骤4中，磁控溅射之后，温度降低，c粒子运动不再剧烈运动，c粒子在相互作用力下而相互吸引，从而使得石墨烯层将金层和钛基板牵制在一起，石墨烯层起到了将金层和钛基板连接在一起的作用，金层不易从钛基板上发生脱落。
17.另外，在制备石墨烯层过程中，温度较高，c粒子扩散并固溶到金层和钛基板的部分部位中，随着降温，c粒子在降温过程中以石墨相析出于金层和钛基板的微孔中，从而能够对微孔进行堵塞，在一定程度上能够提高金层和钛基板局部部位的耐腐蚀能力。
18.优选的，作为一种改进，真空室内设有固定位于正极板的板架，板架上设有多个通孔，板架靠近正极板的侧面和板架的另一侧分别固定连接有第一支撑部和第二支撑部，第
一支撑部和第二支撑部上分别设有第一板槽和第二板槽；步骤2中，将钛基板放置于第一板槽中，钛基板上的石墨烯孔和通孔相对；步骤3中，将钛基板从第一板槽中取出，并放置于第二板槽中；步骤2和步骤3中，钛基板设有石墨烯孔的一侧均朝向负极板。
19.由此，步骤2中，通过将钛基板插入到第一板槽中，钛基板上的石墨烯孔和通孔相对，这样在进行磁控溅射时，石墨靶材上逸出的溅射原子向钛基板方向移动，被板架遮挡的部位无法在钛基板上沉积出石墨烯层，只有部分溅射原子通过通孔沉积在钛基板的石墨烯孔上，从而实现了在钛基板的相应部位针对性的沉积出相应的石墨烯层，不会在整个钛基板的表面沉积出石墨烯层。
20.当需要沉积在钛基板表面溅射沉积金层时，将钛基板从第一板槽中取出，并放置于第二板槽中，此时钛基板的表面不会受到板架的阻挡，这样在进行磁控溅射时，金属靶材上逸出的溅射原子向钛基板方向移动，从而在钛基板的整个表面上溅射沉积出金层。
21.本方案中发明人设计了特殊结构的板架，通过将钛基板分别放置在板架的两侧，便可在钛基板的相应部位制备石墨烯层和整个表面制备金层，整个过程无需板架的反复拆卸和安装，板架一次安装到位即可，操作简单方便。同时板架的设置无需对现有磁控溅射设备的结构做较大的改动，无需在现有的磁控溅射设备上增设高成本零部件，因此无需花费较多的成本。
22.另外，溅射是用带电粒子轰击靶材，加速的离子轰击固体表面时，发生表面原子碰撞并发生能量和动量的转移，使靶材原子从表面逸出并淀积在衬底材料上的过程。本方案中是在钛基板上沉积碳原子和金属原子，而金属原子（au、ag）的相对质量大于碳原子的相对质量，碳原子较轻，因此碳原子相比金属原子受到离子轰击时，更容易从靶材中逸出，并且运动的距离较大，钛基板可距离靶材较远；而金原子受到离子轰击时，由于重量较大，不易从靶材中逸出，金属原子运动的距离较短，钛基板需要距离靶材较近。而本方案中采用板架放置钛基板，沉积石墨烯层和金层时，钛基板分别放置于板架的两侧，从而使得本方案中钛基板放置于第一板槽中沉积石墨烯层时，能够距离靶材较远；而钛基板放置于第二板槽中沉积金属层时，能够距离靶材较近。这样钛基板分别位于板架的不同部位进行溅射时，也能够使溅射的距离控制在合理范围内。
23.优选的，作为一种改进，钛基板位于第一板槽中，钛基板的表面和板架之间具有间隙。由此，钛基板的表面和板架之间具有一定的间隙，这样石墨烯层溅射后，在取出钛基板过程中，板架不会与石墨烯层发生刮擦，从而避免石墨烯层被刮伤。
24.优选的，作为一种改进，第一板槽底部和板架之间具有间隙。由此，实现了钛基板位于第一板槽中时，钛基板的表面和板架之间具有间隙。
25.优选的，作为一种改进，第一支撑部上固定连接有固定板，固定板和正极板连接。由此，通过设置固定板，便于将板架和正极板进行安装固定。
26.优选的，作为一种改进，板架的一端固定连接有限位板，钛基板放置于板架上时，钛基板的端部和限位板相抵。由此，将钛基板放入到板架上，当钛基板与限位板相抵时，从而说明钛基板安装到位。
27.优选的，作为一种改进，步骤2中，制备石墨烯层时，向真空室内通入氩气、氢气和甲烷的混合气体，氩气流量为20sccm～150sccm，氢气流量为10sccm～100sccm，甲烷流量为
10sccm～100sccm；石墨靶的射频溅射电源功率设定为70～200w；溅射时间为2～5min。
28.优选的，作为一种改进，步骤3中，制备金层时，向真空室内通入氩气，氩气流量为50sccm～200sccm；金靶的射频溅射电源功率设定为80～180w，溅射时间为5～15min。
附图说明
29.图1为一种燃料电池双极板的结构示意图。
30.图2为磁控溅射设备的结构示意图。
31.图3为板架的立体图。
具体实施方式
32.下面通过具体实施方式进一步详细说明：说明书附图中的附图标记包括：钛基板1、金层2、石墨烯层3、石墨烯扩散部4、真空室5、正极板6、负极板7、石墨靶料筒8、板架9、金属靶料筒11、通孔12、第一板槽13、第二板槽14、第一板槽底部15、固定板16、第一支撑部17、第二支撑部18、进料口19、进料盖20。
33.实施例基本如附图1-图3所示。
34.一种燃料电池双极板，结合图1所示，包括钛基板1，钛基板1的表面上设有多个石墨烯孔，石墨烯孔上设有石墨烯层3，钛基板1的表面上设有金层2(比如au、ag)，金层2覆盖在石墨烯层3之上，石墨烯层3上连接有向金层2微孔和钛基板1微孔中扩散的石墨烯扩散部4。本实施例中石墨烯孔的深度为0.005mm-0.01mm，优选为0.008mm，石墨烯孔的直径为0.5-5cm，优选为2cm。
35.一种燃料电池双极板的制备方法，包括以下步骤：步骤1，石墨烯孔加工：在钛基板1的表面上加工出多个石墨烯孔，石墨烯孔的深度为0.005mm-0.01mm，优选为0.008mm，石墨烯孔的直径为0.5-5cm，优选为2cm。本实施例中的打孔方式是采用激光进行打孔。
36.步骤2，制备石墨烯层3：采用磁控溅射的方式，在钛基板1的石墨烯孔处生长出石墨烯层3。结合图2所示，磁控溅射设备包括真空室5，真空室5内设有正极板6、负极板7，正极板6位于负极板7的上方，负极板7上安装有金属靶料筒11和石墨靶料筒8，真空室5上连接有进料口19，进料口19上盖有进料盖20。上述结构为磁控溅射设备的现有结构。磁控溅射设备的改进之处在于：正极板6上通过螺钉安装有板架9，板架9如图3所示，板架9上设有多个通孔12，通孔12的直径为0.5-5cm，优选为2cm，通孔12的排布和钛基板1上的石墨烯孔的排布相同。板架9的上侧面和板架9的下侧面分别一体成型连接有第一支撑部17和第二支撑部18，第一支撑部17和第二支撑部18的数量均为两个，两个第一支撑部17分别位于板架9的左、右两侧部，两个第二支撑部18分别位于板架9的左、右两侧部。两个第一支撑部17相对的侧面均设有第一板槽13，两个第二支撑部18相对的侧面上均设有第二板槽14。第一板槽底部15和板架9上侧面之间具有间隙，从而使得钛基板1位于第一板槽13中，钛基板1的表面和板架9之间具有间隙。两个第一支撑部17上一体成型接有固定板16，通过设置固定板16，从而便于固定板16和正极板6通过螺钉固定连接。板架9的一端一体成型接有限位板，钛基板1放置于板架9上时(无论位于第一板槽13中还是位于第二板槽14中)，钛基板1的端部和限位板相抵。本实施例中板架9的厚度为5cm，第一板槽底部到板架顶部的距离为2cm，第二板槽
底部到板架底部的距离为3cm。本实施例中图3中板架9不设限位板的端部(板架9的右端)和进料口19相对。通过机械手通过进料口19将钛基板1放入到板架9上，机械手实现钛基板1的放置为现有技术。
37.制备时，打开进料盖20，通过机械手将钛基板1放入到板架9上方的第一板槽13中，钛基板1的端部与限位板相抵，钛基板1设有石墨烯孔的侧面朝下，钛基板1安装到位后，钛基板1上的石墨烯孔和板架9上通孔12相对。然后将进料盖20关闭。采用纯石墨靶为靶材，将石墨靶放入到石墨靶料筒8中，将真空室5内的石墨靶料筒8加热至650～850℃，向真空室5内通入氩气、氢气和甲烷的混合气体，氩气流量为20sccm～150sccm，氢气流量为10sccm～100sccm，甲烷流量为10sccm～100sccm，真空室5气压维持在0 .1pa～5pa；当料筒温度和真空室5气压都稳定以后，把石墨靶的射频溅射电源功率设定为70～200w，开启石墨靶的射频溅射电源，从而进行石墨烯的溅射(溅射时，石墨靶料筒8上的挡板处于打开状态，金属靶料筒11上的挡板处于关闭状态，从而避免金属靶料筒11内的金属靶发生溅射)；溅射时间为2～5min。石墨靶材上逸出的溅射原子向板架9的钛基板1方向移动，由于钛基板1位于板架9的上方，因此板架9对溅射原子进行阻挡，溅射原子只能通过板架9上的通孔12沉积到石墨烯孔上，从而实现了在钛基板1的石墨烯孔上进行针对性溅射沉积石墨烯层3，不会在整个钛基板1的表面沉积出石墨烯层3。
38.步骤3，制备金层2：石墨烯层3溅射好之后，抽走真空室5内的反应气体，并使真空室5内的气压恢复为常压状态，然后打开进料盖20，机械手通过进料口19进入到真空室5中，将钛基板1从第一板槽13中取出，并放入到板架9下方的第二板槽14中，钛基板1设有石墨烯孔的侧面朝下。关闭进料盖20，然后采用磁控溅射的方式，在钛基板1的表面处生长出金层2。磁控溅射的操作方式为：磁控溅射时真空室5内金属靶料筒11的温度为200～600℃。真空室5内通入的氩气流量为50sccm～200sccm；金靶的射频溅射电源功率设定为80～180w，溅射时间为5～15min。真空室5气压维持在0.1pa～5pa。
39.溅射时，金属靶料筒11上的挡板处于打开状态，石墨靶料筒8上的挡板处于关闭状态，从而避免石墨靶料筒8内的金属靶发生溅射。金属靶材上溅射的原子向板架9的钛基板1方向移动，此时钛基板1位于板架9的下方，板架9不再对钛基板1进行阻挡，这样在进行磁控溅射时，溅射原子能够在钛基板1的整个表面上溅射沉积出金层2。
40.步骤4，溅射之后，将降温冷却：将加工好的钛金属双极板从真空室5中取出并自然冷却至常温。
41.本实施例中步骤2中，钛基板1位于板架9的上方，步骤3中，钛基板1位于板架9的下方，因此步骤2中的钛基板1到石墨靶料筒8的距离大于步骤3中钛基板到金属靶料筒11的距离。本实施例中金层的厚度为50-200nm，石墨烯层的层数为5-10层，每层厚度为0.335nm。
42.本实施例中在磁控溅射时，真空室5内的温度较高，c粒子运动比较剧烈，c粒子向金层2的微孔和钛基板1的微孔中进行扩散，从而形成石墨烯扩散部4，石墨烯扩散部4扩散到微孔中，石墨烯扩散部4和微孔相互作用，从而使得石墨烯层3均和金层2、钛基板1之间紧密连接，石墨烯层3和金层2之间、石墨烯层3和钛基板1之间均具有较强的结合力。
43.磁控溅射之后，温度降低，c粒子运动不再剧烈运动，c粒子在相互作用力下而相互吸引，从而使得石墨烯层3将金层2和钛基板1牵制在一起，石墨烯层3起到了将金层2和钛基板1连接在一起的作用，金层2不易从钛基板1上发生脱落。
44.另外，在制备石墨烯层3过程中，温度较高，c粒子扩散并固溶于金层2和钛基板1的部分部位中，随着降温，c粒子在降温过程中以石墨相析出于金层2和钛基板1的微孔中，从而能够对微孔进行堵塞，在一定程度上能够提高金层2和钛基板1局部部位的耐腐蚀能力。
45.钛基板1溅射完毕后，对钛基板1两端位于第二板槽14中的部位由于第二板槽14的遮挡，钛基板1两端位于第二板槽14中的部位会存在没有溅射到的情况，因此将钛基板1两端位于第二板槽14中的部位进行切除或者打磨掉即可。
46.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。