一种金属双极板及其制备方法和燃料电池与流程

本发明属于燃料电池，涉及一种金属双极板及其制备方法和燃料电池。

背景技术：

1、电池电堆是燃料电池的核心部件，其主要由双极板，膜电极和汇流板等组成。双极板的功能是提供气体路径，防止燃料电池中氢气与氧气串通，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路。在保持机械强度和阻气作用的前提下，双极板厚度应尽可能地薄，以减少对电流和热的传导阻力。

2、双极板的材质主要可以分为石墨材料、金属材料以及复合材料。其中，金属双极板易加工，可批量制造，成本低，厚度薄，电池的体积比功率与比能量高。但是金属双极板的耐腐蚀性比较差，容易析出铁等金属离子，进而导致膜电极失效。因此，金属双极板需要进行改性来保证双极板的耐腐蚀性。

3、在电堆的实际运行中，通常会产生硫酸根离子，在质子产生和迁移过程使金属极板发生腐蚀，使极板的导电性下降，影响电堆的输出效率。通常会在金属极板表面涂覆一层或多层保护层来阻断基体材料与腐蚀介质的接触，延长基体的使用寿命，涂覆的涂层需要有良好的耐腐蚀性能和导电性能。

4、而单层涂层很难保证双极板的性能要求，因此大多数金属双极板表面处理工艺是在金属基材表面涂覆多层功能涂层来提升涂层的综合性能，但各涂层间的结合强度较低，且涂层间的内应力增加引起涂层组织结构缺陷增多。

5、因此，亟需提供一种方案，可增强金属双极板的涂层结合强度，并减小涂层间的内应力，同时使金属双极板具有良好的耐腐蚀性能和导电性能。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种金属双极板及其制备方法和燃料电池。本发明的金属双极板表面，设置有金属层、第一界面重构层、金属/碳过渡层、第二界面重构层和碳层，在上述各涂层的共同作用下，涂层间结合强度增强，涂层间的内应力减小，并使得金属双极板的耐腐蚀性能和导电性能提高。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种金属双极板，所述金属双极板包括金属基材，以及设置于金属基材至少一侧表面(例如一侧表面或两侧表面)的复合涂层；

4、所述复合涂层沿远离金属基材的方向依次包括金属层、第一界面重构层、金属/碳过渡层、第二界面重构层和碳层；

5、所述金属/碳过渡层中，金属元素含量和碳元素含量沿金属基材的厚度方向梯度变化。

6、本发明提供了一种金属双极板，其表面的复合涂层依次包括金属层、第一界面重构层、金属/碳过渡层、第二界面重构层和碳层，其中，金属层能够支撑整体涂层，吸收应力，增加涂层与基材的结合强度，提供一定程度的抗腐蚀性能；金属/碳过渡层中金属元素含量和碳元素含量沿金属基材的厚度方向梯度变化，这能够改善金属层和碳层之间的匹配性和界面错配程度，从而能够增强涂层间的结合强度；第一界面重构层和第二界面重构层能够很大程度上减小涂层间内应力，减少涂层组织结构缺陷，同时可避免金属层和碳层结构的改变导致的性能变化，并进一步提升涂层耐腐蚀性能；碳层能够提高双极板的自腐蚀电位，减缓涂层是腐蚀衰减速率，增加涂层导电性能。综上，在金属双极板表面各涂层的共同作用下，涂层间结合强度增强，涂层间的内应力减小，并使得金属双极板的耐腐蚀性能和导电性能提高。

7、优选地，所述金属层中的金属元素包括cr、ti、nb、ta和zr元素中的至少一种。

8、优选地，所述金属层的厚度为10-500nm，例如可以是10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

9、优选地，所述第一界面重构层包括金属元素，所述金属元素包括cr、ti、nb、ta和zr元素中的至少一种。

10、优选地，所述第一界面重构层与所述金属层中的金属元素相同。

11、优选地，所述第一界面重构层的厚度为1-100nm，例如可以是1nm、2nm、5nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm等。

12、优选地，所述第一界面重构层与所述金属层的厚度比为(0.2-5):1，例如可以是0.2:1、0.3:1、0.5:1、0.8:1、1:1、2:1、3:1、4:1或5:1等。

13、本发明中，若第一界面重构层与金属层的厚度比过低，则第一界面重构层内应力过大，导致涂层结合强度降低；若第一界面重构层与金属层的厚度比过高，则第一界面重构层应力释放过大，导致涂层结构致密性降低，涂层整体性能降低。

14、优选地，所述金属/碳过渡层中的金属元素包括cr、ti、nb、ta和zr元素中的至少一种。

15、优选地，所述金属/碳过渡层与所述金属层中的金属元素相同。

16、优选地，所述金属/碳过渡层中，金属元素含量沿远离金属基材的方向梯度减小。

17、优选地，所述金属/碳过渡层中，碳元素含量沿远离金属基材的方向梯度增大。

18、优选地，所述金属/碳过渡层的厚度为10-100nm，例如可以是10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

19、本发明中，当金属/碳过渡层的厚度控制为10-100nm时，可改善涂层间的电子传导能力，改善金属双极板复合涂层的导电性能。

20、优选地，所述第二界面重构层包括碳元素。

21、优选地，所述第二界面重构层的厚度为1-100nm，例如可以是1nm、2nm、5nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm等。

22、优选地，所述碳层的厚度为10-500nm，例如可以是10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

23、优选地，所述第二界面重构层与所述碳层的厚度比为(0.2-5):1，例如可以是0.2:1、0.3:1、0.5:1、0.8:1、1:1、2:1、3:1、4:1或5:1等。

24、本发明中，若第二界面重构层与碳层的厚度比过低，则第二界面重构层内应力过大，导致涂层结合强度降低；若第二界面重构层与碳层的厚度比过高，则第二界面重构层应力释放过大，导致涂层结构致密性降低，涂层整体性能降低。

25、第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的金属双极板的制备方法，所述制备方法包括：

26、(1)以金属材料为沉积源，在金属基材的至少一侧表面沉积金属层；调整沉积参数，在金属层的表面沉积第一界面重构层；

27、(2)以金属材料和碳材料为沉积源，分别调整金属材料和碳材料的沉积电流，在所述第一界面重构层的表面沉积金属/碳过渡层；

28、(3)以碳材料为沉积源，在所述金属/碳过渡层表面沉积第二界面重构层；调整沉积参数，在所述第二界面重构层的表面沉积碳层。

29、优选地，步骤(1)所述金属材料和步骤(2)所述金属材料独立地包括cr靶、ti靶、nb靶、ta靶和zr靶中的至少一种。

30、优选地，步骤(2)所述碳材料和步骤(3)所述碳材料独立地包括类石墨结构碳材料、类金刚石结构碳材料、石墨烯结构碳材料和碳纳米管材料中的至少一种。

31、优选地，沉积所述金属层的沉积参数包括：沉积功率为10-50000w，例如可以是10w、20w、50w、100w、500w、1000w、2000w、5000w、8000w、10000w、20000w、30000w、40000w或50000w等，沉积电流为0.1-100a，例如可以是0.1a、0.5a、1a、5a、10a、20a、30a、50a、80a或100a等，沉积时间为1-100min，例如可以是1min、5min、10min、20min、30min、50min、80min或100min等。

32、优选地，沉积所述第一界面重构层的沉积参数包括：沉积功率为10-10000w，例如可以是10w、20w、50w、100w、500w、1000w、2000w、5000w、8000w、10000w等，沉积电流为0.1-100a，例如可以是0.1a、0.5a、1a、5a、10a、20a、30a、50a、80a或100a等，沉积时间为1-100min，例如可以是1min、5min、10min、20min、30min、50min、80min或100min等。

33、优选地，所述第一界面重构层的沉积功率小于所述金属层的沉积功率，所述第一界面重构层的沉积电流小于所述金属层的沉积电流。

34、本发明中，第一界面重构层的沉积功率和沉积电流小于金属层，从而控制沉积粒子的能量以及粒子对于涂层表面的轰击效果，改变涂层生长形态，进而达到界面匹配的功能。

35、优选地，步骤(2)中，所述金属材料的沉积电流由第一电流梯度降至0a，所述碳材料的沉积电流由0a梯度升至第二电流。

36、优选地，所述第一电流为1-50a，例如可以是1a、2a、5a、10a、20a、30a、40a或50a等，所述第二电流为0.1-50a，例如可以是0.1a、0.2a、0.5a、1a、2a、5a、10a、20a、30a、40a或50a等。

37、优选地，沉积所述金属/碳过渡层的沉积电压为10-1000v，例如可以是10v、20v、50v、100v、200v、300v、500v、800v或1000v等，沉积时间为1-100min，例如可以是1min、5min、10min、20min、30min、50min、80min或100min等。

38、优选地，沉积所述第二界面重构层的沉积参数包括：沉积功率为10-10000w，例如可以是10w、20w、50w、100w、500w、1000w、2000w、5000w、8000w、10000w等，沉积电流为0.1-50a，例如可以是0.1a、0.5a、1a、5a、10a、20a、30a或50a等，沉积时间为1-100min，例如可以是1min、5min、10min、20min、30min、50min、80min或100min等。

39、优选地，沉积所述碳层的沉积参数包括：沉积功率为10-10000w，例如可以是10w、20w、50w、100w、500w、1000w、2000w、5000w、8000w、10000w等，沉积电流为0.1-50a，例如可以是0.1a、0.5a、1a、5a、10a、20a、30a或50a等，沉积时间为1-100min，例如可以是1min、5min、10min、20min、30min、50min、80min或100min等。

40、优选地，所述第二界面重构层的沉积功率小于所述碳层的沉积功率，所述第二界面重构层的沉积电流小于所述碳层的沉积电流。

41、本发明中，第二界面重构层的沉积功率和沉积电流小于碳层，从而控制沉积粒子的能量以及粒子对于涂层表面的轰击效果，改变涂层生长形态，进而达到界面匹配的功能。

42、第三方面，本发明提供了一种燃料电池，所述燃料电池中包括第一方面所述的金属双极板。

43、本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

45、本发明提供了一种金属双极板，其表面的复合涂层依次包括金属层、第一界面重构层、金属/碳过渡层、第二界面重构层和碳层，其中，金属层能够支撑整体涂层，吸收应力，增加涂层与基材的结合强度，提供一定程度的抗腐蚀性能；金属/碳过渡层中金属元素含量和碳元素含量沿金属基材的厚度方向梯度变化，这能够改善金属层和碳层之间的匹配性和界面错配程度，从而能够增强涂层间的结合强度；第一界面重构层和第二界面重构层能够很大程度上减小涂层间内应力，减少涂层组织结构缺陷，同时可避免金属层和碳层结构的改变导致的性能变化，并进一步提升涂层耐腐蚀性能；碳层能够提高双极板的自腐蚀电位，减缓涂层是腐蚀衰减速率，增加涂层导电性能。综上，在金属双极板表面各涂层的共同作用下，涂层间结合强度增强，涂层间的内应力减小，并使得金属双极板的耐腐蚀性能和导电性能提高。