一种PEM燃料电池金属双极板碳基复合涂层的制备工艺

本发明涉及pem燃料电池金属双极板生产，尤其涉及一种pem燃料电池金属双极板碳基复合涂层的制备工艺。

背景技术：

1、随着工业的不断发展，能源枯竭和环境污染等问题日益突出，氢能与燃料电池技术是公认的有效解决方案之一。其中质子交换膜燃料电池(pemfcs)具有低运行温度、零排放、高比功率和高能量转换率等优点，在车用动力电源、便携设备和航空等领域前景广阔。pemfcs主要由双极板、膜电极组件、端板和密封件等组成。双极板作为pemfcs的核心多功能组件，起到均匀分配气体、排水、导热、导电等作用，其质量占整个燃料电池的60％，成本占15％～30％，其性能和成本会直接影响电池的使用寿命和商业化进程。传统石墨极板由于体积大、制造成本高以及力学性能较差，逐渐被可加工性强、导电导热性优、力学性能好的金属双极板取代。然而在电池酸性工作环境中，金属极板易腐蚀，腐蚀过程中形成的金属离子会导致质子交换膜离子传输效率下降，同时在金属双极板表面形成的钝化膜会增大界面接触电阻，从而导致燃料电池性能下降。表面涂层材料技术可以在保持金属极板优异的力学性能和加工性能的基础上，提高金属极板的电导率和耐蚀性。

2、非晶碳(a-c)是一大类无定型碳的总称，其结构主要由sp2杂化(类石墨结构)和sp3杂化(类金刚石结构)的原子碳组成。sp3杂化能有效阻止腐蚀离子的侵蚀，而sp2杂化主要影响导电性。因此通过平衡sp2和sp3杂化的比例，可以获得高导电、高耐蚀并且具有良好力学性能的非晶碳涂层。非晶碳涂层虽使金属双极板具有良好的导电耐蚀性能，但现有涂层的结构、致密度、厚度、缺陷等指标严重影响金属双极板的耐腐蚀性能和结合强度。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中所提出的技术问题，本发明提供一种pem燃料电池金属双极板碳基复合涂层的制备工艺。

2、本发明采用以下技术方案实现：一种pem燃料电池金属双极板碳基复合涂层的制备工艺，包括如下步骤：

3、s1、在真空状态下，对镀膜源、真空腔室内壁以及待镀膜的双极板进行烘烤除气；

4、s2、对除气后的双极板进行离子清洗直至活化双极板的表面；

5、s3、向真空腔室内充入制备渗层的离子气体，以在双极板清洗活化后的表面形成离子渗层；

6、s4、在双极板的离子渗层表面沉积金属打底层；

7、s5、在双极板的金属打底层表面沉积金属氮化物层；

8、s6、在双极板的金属氮化物层表面沉积dlc层；

9、s7、在双极板的dlc层表面沉积ta-c层。

10、作为上述方案的进一步改进，在步骤s1中，将喷砂后的辅助阴极板安装在转架的内侧，并将双极板固定在转架所具有的夹具上，一同推入真空腔室；

11、打开泵组开始对真空腔室内进行抽气，当泵组中的分子泵达到满速后开启真空腔室加热器，加热至200-300℃，烘烤真空腔室内壁以及待镀膜的双极板时间为0.5-2h。

12、作为上述方案的进一步改进，在步骤s1中，保持真空腔室内的温度200-300℃，当气压低于5×10-2pa时，开启纯离子的溅射源的弧电源，设置弧电流为70-170a，过滤电流为10-20a，阳极电流为10-20a，开始溅射源的预热程序，时间为300-3000s。

13、作为上述方案的进一步改进，在步骤s2中，保持真空腔室内的温度200-300℃，驱动转架转动，将真空腔室抽真空至6×10-3pa以下，从真空腔室的离子源进气口充入100-200sccmar，真空度保持在1.8×10-1pa-4×10-1pa之间，开启离子源电源和偏压电源，设置离子源电压为800-2200v，离子源电流为0.1-1.5a，工件偏压为500-1800v，工件偏流为0.2-1.5a，离子清洗与活化时间为0.5-2.5h。

14、作为上述方案的进一步改进，在步骤s3中，离子渗层选择为渗氮层或者渗碳层，且离子渗层厚度为0.1-0.5μm，离子渗层形成步骤为：

15、当双极板离子清洗活化后，将真空腔室内加热调整至250-350℃，保持转架转动，将真空腔室内抽真空至6×10-3pa以下，从离子源进气口充入10000-20000sccm氮气或乙炔，真空度保持在18pa-40pa，开启偏压电源，设置工件偏压为1000-2000v，工件偏流为2-5a，离子渗氮或渗碳时间为1-6h，以在双极板表面形成渗氮层或者渗碳层。

16、作为上述方案的更进一步改进，在步骤s4中，金属打底层选择为cr层、nb层、ta层、nicr层和ti层中的至少一种，金属打底层厚度：0.02-0.2μm；所述金属打底层的沉积步骤为：

17、将真空腔室内调温至100-180℃，停止充气，关闭偏压电源，将真空腔室内抽真空至1×10-3pa以下，从cr/nb/ta/nicr/ti对应的溅射源进气口充入500-2500sccmar，真空度保持在5×10-1pa-2×100pa，开启溅射电源和偏压电源，设置溅射功率为1-8kw，工件偏压为50-300v，工件偏流为0.3-1.5a，偏压占空比为20-80％，金属打底层镀膜时间为200-2000s，以在双极板的离子渗层表面沉积出金属打底层。

18、作为上述方案的更进一步改进，在步骤s5中，所述金属氮化物层选择为crn层、nbn层、tan层、nicrn层、tin层中的至少一种；所述金属氮化物层厚度为0.02-0.15μm，所述金属氮化物层的沉积步骤为：

19、保持金属打底层的溅射电源和偏压电源处于开启状态，真空腔室温度为100-180℃，从cr/nb/ta/nicr/ti对应溅射源进气口充入1000-3000sccm ar、2000-6000sccm n2，真空度保持在6×10-1pa-3×100，溅射功率为2-8kw，工件偏压为50-200v，工件偏流为0.5-2a，金属氮化物层的镀膜时间为100-750s，以在双极板的金属打底层表面沉积出金属氮化物层。

20、作为上述方案的进一步改进，在步骤s6中，所述dlc层的厚度为0.1-0.3μm，所述dlc层的沉积步骤为：

21、调整转架和双极板均停止转动，各辅助阴极板和各双极板平行排列，辅助阴极板安装在真空腔室的中心区域形成一个闭环，在负偏压的作用下利用辅助阴极板和双极板间产生的空心阴极效应实现快速化镀膜，双极板单侧镀膜完成后，转动双极板，将双极板未镀膜的另一面与辅助阴极板相平行，实现双极板另一面的镀膜；

22、在dlc层镀膜时，从离子源进气口充入500-1000sccm碳氢气体，真空度保持在5×10-1pa-1×100pa，开启离子源电源和偏压电源，设置离子源电压为800-2200v，离子源电流为0.5-2a，工件偏压为1000-3000v，偏压电源占空比为4-20％，偏压电源工作频率为1000-4000hz，工件偏流为3-5a，单面镀膜时间为600-1800s，以双极板的金属氮化物层表面沉积出dlc层。

23、作为上述方案的更进一步改进，在步骤s7中，ta-c层厚度0.2-0.4μm；所述ta-c层的沉积步骤为：

24、关闭碳氢气体充气阀及流量计开关，关闭真空腔室加热器，打开磁过滤弯管的挡板，当气压低于2×10-4pa且温度低于100℃时，开启纯离子的溅射源的弧电源，设置弧电流为50-150a，过滤器电流为10-20a，阳极电流为10-20a，工件偏压为500-2500v，工件偏流为0.3-2a，时间为1000-2000s，以在双极板的dlc层表面沉积出ta-c层。

25、本发明还提供一种采用如上述任一种所述的制备工艺制作出的pem燃料电池金属双极板碳基复合涂层，该涂层由内向外依次沉积有离子渗层、金属打底层、金属氮化物层、dlc层、ta-c层；

26、所述pem燃料电池金属双极板碳基复合涂层厚度为0.5-1.55μm；

27、所述离子渗层厚度为0.1-0.5μm；

28、所述金属打底层厚度为0.02-0.2μm；

29、所述金属氮化物层厚度为0.02-0.15μm；

30、所述dlc层厚度为0.1-0.3μm；

31、所述ta-c层厚度为0.2-0.4μm。

32、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

33、本发明提供的上述方案，将离子渗氮/渗碳、磁控溅射ms、等离子增强化学气相沉积pecvd和纯离子镀膜pic融合，在金属双极板上制备碳基复合涂层，可以提升双极板的耐腐蚀性能和结合强度，延长使用寿命。