[发明专利]一种带有表面钛钽碳薄膜的燃料电池高性能双极板及其制备方法

权利要求书

1.一种带有表面钛钽碳薄膜的燃料电池高性能双极板的制备方法，该燃料电池高性能双极板包括金属薄板双极板基材(1)、中间耐点蚀过渡层(2)和表面钛钽碳薄膜(3)；金属薄板双极板基材(1)的厚度为0.1mm-0.5mm；中间耐点蚀过渡层(2)的材质为钛钽纳米晶合金层，其中钛的原子百分成分含量为90.0％-99.0％，钛钽纳米晶合金层的厚度为0.3μm-3.0μm；表面钛钽碳薄膜(3)的材质为碳非晶钛钽纳米晶复合薄膜，其中碳非晶的原子百分成分含量为60％-100％，其余为钛钽纳米晶，钛钽纳米晶中钛和钽二者的相对成分含量与中间耐点蚀过渡层(2)中相同，表面钛钽碳薄膜(3)的厚度为0.1μm-1.0μm；采用有热丝增强放电并辅以气体离子源增强溅射刻蚀的电弧离子镀方法在金属薄板双极板基材(1)表面依次沉积中间耐点蚀过渡层(2)及表面钛钽碳薄膜(3)，其特征在于，具体步骤如下：

(1)在电弧离子镀设备真空室的一侧安装在真空环境中能发射大量热电子的热丝装置，另一侧再安装使惰性气体能获得电激发离化的气体离子源装置，在电弧离子镀设备真空室内壁均布有管状加热器装置；在均匀分布的多个阴极靶位上分别相间隔安装碳靶和钛钽合金靶，其中钛钽合金靶中钛的原子百分成分含量为90.5％-99.5％；

(2)将金属薄板双极板基材(1)经超声清洗并烘干处理后，安放于电弧离子镀真空室的工件卡具上，关闭舱门后由真空系统将真空室真空抽到5×10^-3Pa以上，启动加热装置使金属薄板双极板基材(1)被加热到200℃～350℃，之后充入氩气，氩气分压为0.4Pa～1.0Pa，加偏压为500V～1000V，引发辉光等离子体，再启动热丝装置进行等离子体放电增强，通入热丝的电流为3A～30A，热丝两端的电压为10V～50V，热丝偏压电源的偏压为10V～30V，进行金属薄板双极板基材(1)表面等离子体增强的溅射清洗，时间为5min～30min，后停止热丝装置工作，降低氩气分压至0.1Pa～0.4Pa，启动气体离子源装置，调整离子束电流为1A～3A，进行金属薄板双极板基材(1)表面离子溅射刻蚀和活化处理，时间为5min～20min；

(3)停止离子源装置工作，调整氩气分压至0.5Pa～2Pa，降低偏压为50V～200V，启动钛钽合金靶电弧获得金属等离子体，钛钽合金靶电弧电流调整为40A～120A，进行中间耐点蚀过渡层(2)的沉积制备，时间为30min～180min；

(4)停止钛钽合金靶电弧，再降低氩气分压为0.1Pa～0.4Pa，启动气体离子源装置，调整离子束电流为1A～3A，提高偏压为500V～1000V，进行耐点蚀过渡层表面的离子溅射缺陷去除处理，时间为5min～20min；

(5)停止离子源装置工作，调整氩气分压为0.5Pa～2Pa，降低偏压为50V～200V，启动碳靶电弧，碳靶电弧电流为60A～100A，再启动钛钽合金靶电弧，钛钽合金靶电弧电流调整为0A～120A，进行表面钛钽碳薄膜(3)即碳非晶钛钽纳米晶复合薄膜的沉积制备，时间为10min～90min；到时后停止钛钽合金靶和碳靶电弧工作、卸偏压、停止供气、停止加热，经充分炉冷后即可取出已经表面改性处理好的金属双极板。

2.一种如权利要求1所述制备方法制备的带有表面钛钽碳薄膜的燃料电池高性能双极板，其特征在于，该燃料电池高性能双极板包括金属薄板双极板基材(1)、中间耐点蚀过渡层(2)和表面钛钽碳薄膜(3)；金属薄板双极板基材(1)的厚度为0.1mm-0.5mm；中间耐点蚀过渡层(2)的材质为钛钽纳米晶合金层，其中钛的原子百分成分含量为90.0％-99.0％，钛钽纳米晶合金层的厚度为0.3μm-3.0μm；表面钛钽碳薄膜(3)的材质为碳非晶钛钽纳米晶复合薄膜，其中碳非晶的原子百分成分含量为60％-100％，其余为钛钽纳米晶，钛钽纳米晶中钛和钽二者的相对成分含量与中间耐点蚀过渡层(2)中相同，表面钛钽碳薄膜(3)的厚度为0.1μm-1.0μm。

3.根据权利要求2所述的带有表面钛钽碳薄膜的燃料电池高性能双极板，其特征在于，所述金属薄板双极板基材(1)的材质为TA1工业纯钛薄板双极板、TA10工业钛合金薄板双极板或316L不锈钢薄板双极板。